Hintergrundbackground
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die hierin offenbarten Ausführungsformen betreffen im Allgemeinen eine 3D-Bilderzeugung und die Identifizierung und das Tracking von Objekten, und insbesondere Ladarsensoren für mobile Anwendungen, wie zum Beispiel Verkehrsgefährdungsvermeidung, Zusammenstoßvermeidung und autonome Navigation. Die Erfindung löst die Probleme, welche sich aus dem Betrieb eines Ladarsensors mit einer begrenzten optischen Leistungsausgabe ergeben.The embodiments disclosed herein generally relate to 3D imaging and the identification and tracking of objects, and more particularly, to mobile application load sensors, such as traffic hazard avoidance, collision avoidance, and autonomous navigation. The invention solves the problems resulting from the operation of a ladar sensor with a limited optical power output.
Stand der TechnikState of the art
Die 3D-Abbildungstechnologie, welche in Stettner et al., US-Patent-Nummern 5,446,529 , 6,123,989 und 6,414,746 offenbart ist, stellt mit einem einzelnen Lichtpuls, typischerweise gepulstes Laserlicht, alle Informationen eines herkömmlichen 2D-Bildes zusammen mit den Koordinaten der dritten Dimension bereit; dabei werden die 3D-Koordinaten von allen im Bildfeld liegenden Gegenständen bereitgestellt. Diese Verwendung wird typischerweise als Blitz- bzw. Flash-3D-Abbildung bezeichnet, in Analogie mit herkömmlichen digitalen 2D-Kameras, welche Blitzeinrichtungen als eine unabhängige Lichtquelle verwenden. Wie bei herkömmlichen 2D-Digitalkameras wird das Licht durch eine Linse auf die Fokalebene des Ladarsensors fokussiert, der ein Array von Pixeln enthält, welches ein Fokalebenen-Array genannt wird (FPA). Im Falle eines Ladarsensors sind diese Pixel „smart” und können Daten sammeln, welche einen Prozessor in die Lage versetzen, die Paketumlaufzeit des Laserpulses zu reflektierenden Merkmalen am Objekt von Interesse zu berechnen.The 3D imaging technology described in Stettner et al. U.S. Patent Numbers 5,446,529 . 6,123,989 and 6,414,746 with a single light pulse, typically pulsed laser light, provides all the information of a conventional 2D image along with the third dimension coordinates; In doing so, the 3D coordinates of all objects lying in the image field are made available. This use is typically referred to as flash 3D imaging, in analogy to conventional 2D digital cameras that use flash devices as an independent light source. As with conventional 2D digital cameras, the light is focused by a lens onto the focal plane of the load sensor, which contains an array of pixels called a focal plane array (FPA). In the case of a ladar sensor, these pixels are "smart" and can collect data that enables a processor to calculate the round trip time of the laser pulse to reflective features on the object of interest.
Es wurden viele Systeme vorgeschlagen, um die Herausforderung der Verwendung optischer Abbildungs- und Videokameras in einem Fahrzeugsystem zu erfüllen, um 3D-Karten von Szenen und Modellen von festen Objekten zu erzeugen, und um die 3D-Datenbank zum Navigieren, Lenken und Vermeiden von Kollisionen mit stationären oder sich bewegenden Objekten zu verwenden. Stereosysteme, holographische Aufnahmesysteme und solche, welche eine Form aus einer Bewegung heraus erfassen, waren nicht in der Lage, eine adäquate Leistung bei einer solchen Anwendung zu zeigen, wohingegen 3D Ladar-basierte Systeme die Fähigkeit gezeigt haben, 3D-Bilder von Objekten und verkehrsbezogenen Merkmalen in dem Weg eines sich bewegenden Fahrzeuges, oder eines, das sich auf einem kreuzenden Pfad bewegt, schnell mit ausreichender Geschwindigkeit und Genauigkeit zu erfassen, um das Host-Fahrzeug in die Lage zu versetzen, Kollisionen und verkehrsbezogene Unfälle zu vermeiden und entlang des „besten” Weges zu lenken. Zur Herstellung eines kostengünstigen und robusten Designs liegt die Verwendung eines Halbleiter-Laserpulssenders mit einer begrenzten optischen Ausgabeleistung auf der Hand.Many systems have been proposed to meet the challenge of using optical imaging and video cameras in a vehicle system to create 3D maps of scenes and models of fixed objects and the 3D database for navigating, steering and avoiding collisions to use with stationary or moving objects. Stereo systems, holographic recording systems, and those that capture a shape from motion have not been able to perform adequately in such an application, whereas 3D ladar-based systems have demonstrated the ability to produce 3D images of objects and traffic Tracing features in the path of a moving vehicle, or one moving on an intersecting path, quickly with sufficient speed and accuracy to enable the host vehicle to avoid collisions and traffic-related accidents best way to steer. To provide a low cost and robust design, the use of a semiconductor laser pulse transmitter with a limited optical output power is obvious.
Es ist deshalb wünschenswert, einen Ladarsensor bereitzustellen, welcher in der Lage ist, mit einem Niedrigenergie-Halbleiterlaserarray betrieben zu werden, um das Bildfeld des Ladarsensors auszuleuchten. Es ist weiterhin wünschenswert, dass der Ladarsensor in der Lage ist, den gesamten das Fahrzeug umgebenden Bereich abzubilden, und ermöglicht, andere sich bewegende Fahrzeuge, verkehrsbezogene Gefahrensituationen sowie Fußgänger zu vermeiden.It is therefore desirable to provide a ladar sensor capable of operating with a low power semiconductor laser array to illuminate the image field of the ladar sensor. It is further desirable that the ladar sensor be able to image the entire area surrounding the vehicle, and to avoid other moving vehicles, traffic related hazards, and pedestrians.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Ein Ladarsensor gemäß den vorliegenden Ausführungsformen umfasst einen Halbleiter-Pulslaser, um eine Szene im Bildfeld des Ladarsensors zu beleuchten. Typischerweise wird ein einzelner sehr starker Laserpuls optisch über dem gesamten Bildfeld durch eine feststehende Streuoptik optisch gestreut. Die reduzierte Leistung des Halbleiterlasers kann durch eine verbesserte Empfindlichkeit des Ladarempfängers verschoben werden, oder durch räumliches Bündeln der Ausgabe des Halbleiterlasers, und durch Sweepen des gebündelten Strahles über dem Bildfeld. Ein Fokalebenen-Array von optischen Detektoren wird hinter einer Lichtempfangs- und Fokussierlinse positioniert, und ein integrierter Ausleseschaltkreis wird mit den elektrischen Ausgängen der Detektoren des Fokalebenen-Arrays verbunden. Innerhalb des integrierten Ausleseschaltkreises verstärkt und detektiert ein Array von elektrischen Einheitszellenschaltkreisen die eintreffenden Lichtpulse, welche in den Detektorelementen des Fokalebenen-Arrays in elektrische Pulse umgewandelt worden sind. Jeder elektrische Einheitszellenschaltkreis wird mit einem Hochgeschwindigkeits-Zeittaktgeber verbunden, wobei sich in jeder Einheitszelle ein digitales Zeitelement befindet. Das Zählen des digitalen Zeitelements wird durch den Blitz des die Szene beleuchtenden optischen Pulses gestartet, wobei das Zeitelement die Anzahl von Zyklen des Taktgebers zählt. Der digitale Zähler wird zum Zeitpunkt der Detektion eines elektrischen Pulses in der Einheitszelle „eingefroren”, was zum Zeitpunkt des Eintreffens eines eingehenden optischen Pulses passiert. Daher kann der Abstand zu jeder reflektierenden Oberfläche innerhalb des Bildfeldes des Ladarsystems sensiert und digital gemessen werden.A ladar sensor according to the present embodiments includes a semiconductor pulse laser to illuminate a scene in the image field of the ladar sensor. Typically, a single very strong laser pulse is optically scattered over the entire image field by a fixed scattering optics. The reduced power of the semiconductor laser may be displaced by improved sensitivity of the ladar receiver, or by spatially bundling the output of the semiconductor laser, and sweeping the collimated beam across the field of view. A focal plane array of optical detectors is positioned behind a light receiving and focusing lens, and an integrated readout circuit is connected to the electrical outputs of the detectors of the focal plane array. Within the integrated readout circuit, an array of unitary electrical cell circuits amplifies and detects the incoming light pulses that have been converted into electrical pulses in the detector elements of the focal plane array. Each unit electrical cell circuit is connected to a high-speed clock, with a digital time element in each unit cell. The counting of the digital time element is started by the flash of the scene lighting optical pulse, the time element counting the number of cycles of the clock. The digital counter is "frozen" at the time of detection of an electrical pulse in the unit cell, which happens at the time of arrival of an incoming optical pulse. Therefore, the distance to each reflective surface within the image field of the charger system can be sensed and measured digitally.
In alternativen Ausführungsformen kann jeder Ladarsensor ein optisches Verstärkungselement im optischen Empfangspfad umfassen, zwischen der Lichtbündelungs- und Fokussierlinse und dem Fokalebenen-Array der optischen Detektoren. Dieses optische Verstärkungselement kann optisch gepumpt werden, wie im Beispiel eines Erbium-dotierten Faserverstärkers, oder elektrisch gepumpt werden wie im Fall eines optischen Halbleiterverstärkers.In alternative embodiments, each ladar sensor may include an optical gain element in the optical receive path, between the light concentrating and focusing lens and the focal plane array of the optical detectors. This optical amplifying element may be optically pumped, as in the example of an erbium-doped fiber amplifier, or electrically pumped as in the case of a semiconductor optical amplifier.
In weiteren Ausführungsformen kann jeder Ladarsensor ein Fokalebenen-Array von Detektoren aus Indiumgalliumarsenid aufweisen, das auf einem Substrat aus Indiumphosphid, Galliumarsenid oder Silizium gebildet wird. In einer weiteren Ausführungsform kann ein elektrisches Verstärkerarray zwischen dem Fokalebenen-Array der optischen Detektoren und dem integrierten Ausleseschaltkreis angeordnet werden. In noch einer weiteren Ausführungsform können das elektrische Verstärkerarray und der integrierte Ausleseschaltkreis mit Durchkontaktierungen durch das Substrat versehen sein, um Drahtverbindungen zu eliminieren, wodurch die kostengünstige und wenig Platz beanspruchende Umhausung (Packaging) des Fokalebenen-Arrays und des integrierten Ausleseschaltkreises ermöglicht werden.In further embodiments, each ladar sensor may include a focal plane array of indium gallium arsenide detectors formed on a substrate of indium phosphide, gallium arsenide, or silicon. In another embodiment, an electrical amplifier array may be disposed between the focal plane array of the optical detectors and the integrated readout circuit. In yet another embodiment, the electrical amplifier array and integrated readout circuit may be provided with vias through the substrate to eliminate wire connections, thereby enabling the low cost and low space packaging of the focal plane array and the integrated readout circuit.
Die erörterten Merkmale, Funktionen und Vorteile können unabhängig voneinander in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung erzielt werden, oder können in noch weiteren Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, von denen weitere Details mit Bezug auf die folgende Beschreibung und die Zeichnungen ersichtlich sind.The discussed features, functions, and advantages may be independently achieved in various embodiments of the present disclosure, or may be combined with each other in still further embodiments, further details of which will become apparent with reference to the following description and drawings.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
1 ist eine Darstellung eines typischen optische-Überlast-Scenarios mit einem ersten Ladarsensor vorne rechts an einem Fahrzeug, wobei der Sensor intensives von einem im Straßenbelag eingebetteten Retroreflektor zurückgestreutes Licht empfängt, und von einem Stoppschild, welches ebenfalls in seiner Oberfläche eingebettete retroreflektierende Elemente aufweist; 1 Figure 4 is an illustration of a typical optical overload scenario with a first right front loader sensor on a vehicle, the sensor receiving intense light reflected back from a retroreflector embedded in the pavement, and a stop shield also having retroreflective elements embedded in its surface;
2 zeigt eine Lösung für das in 1 dargestellte optische-Überlast-Scenario. Zwei vorwärts gerichtete Ladarsensoren sind an der Front des Fahrzeuges positioniert, wobei der Ladarsensor auf der rechten Seite, die am nächsten zu dem Abstrahlwinkel des Retroreflektors ist, auf einen von dem am weitesten links angeordneten Ladarsensor abgestrahlten Laserpuls reagiert. Bidirektionale Verbindungen sind zwischen den Ladarsensoren dargestellt, welche dem am weitesten rechts befindlichen Ladarsensor ein präzises Time-Zero-Referenzsignal bereitstellen, was die Ausstrahlung eines eine Szene beleuchtenden Laserpulses von den am weitesten links befindlichen Ladarsensor kennzeichnet, und umgekehrt; 2 shows a solution for that in 1 illustrated optical overload scenario. Two forward load sensors are positioned at the front of the vehicle, with the right side charge sensor closest to the retroreflector angle of radiation responding to a laser pulse radiated from the leftmost ladar sensor. Bidirectional links are shown between the ladar sensors, which provide a precise time-zero reference signal to the rightmost loader sensor, identifying the radiance of a scene illuminating laser pulse from the leftmost loader sensor, and vice versa;
3 ist ein Blockdiagramm, welches die Elemente einer typischen Fahrzeuginstallation zeigt, einschließlich der elektrischen Fahrzeugsysteme, CPU, und der Sub-Systeme, welche die Fahrzeugaufhängung regeln, eine Inertial-Navigationsreferenz und GPS-Referenzen bereitstellen, Entscheidungen zum Auslösen von Airbags treffen und über eine Duplex-Funkverbindung mit der Außenwelt kommunizieren; 3 Figure 10 is a block diagram illustrating the elements of a typical vehicle installation, including vehicle electrical systems, CPU, and subsystems that control vehicle suspension, provide inertial navigation reference and GPS references, make decisions to deploy airbags, and duplex Radio communication with the outside world;
4 ist ein Blockdiagramm eines Strahllenkungs-Ladarsensors, welches die Funktionen und Verbindungen zwischen dem Ladarsensor-Steuerprozessor beschreibt, und von Sub-Systemen zum Erzeugen von Laserbeleuchtungspulsen, zum Empfangen der reflektierten Laserpulse, zum Reduzieren der Daten, zum Speichern der Bilder und zum Identifizieren von Objekten in den Bilddatensätzen; 4 Figure 11 is a block diagram of a beam steering charger sensor describing the functions and connections between the ladar sensor control processor and subsystems for generating laser illumination pulses, receiving the reflected laser pulses, reducing the data, storing the images, and identifying objects in the image data sets;
5 ist ein Blockdiagramm einer Einheitszelle des integrierten Ausleseschaltkreises (ROIC) aus 4; 5 Figure 4 is a block diagram of a unit cell of the integrated readout circuit (ROIC) 4 ;
6A ist eine Ausschnitts-Seitenansicht eines Strahllenkungsmechanismusses, der einen Kantenstrahllaser, einen Block mit feststehendem Spiegelwinkel und einen MEMS-Typ-Mikrospiegel aufweist, der zu einer Auslenkung in zwei Achsen fähig ist; 6A Figure 4 is a cutaway side view of a beam steering mechanism having an edge beam laser, a fixed mirror angle block, and a MEMS-type micromirror capable of deflection in two axes;
6B ist eine Ausschnitts-Seitenansicht eines Strahllenkungsmechanismusses, der zwei Kantenlaser, zwei Stablinsen und zwei MEMS-Typ-Mikrospiegel aufweist, die zu einer Auslenkung in zwei Achsen fähig sind; 6B Figure 4 is a cutaway side view of a beam steering mechanism having two edge lasers, two rod lenses, and two MEMS-type micromirrors capable of deflection in two axes;
6C ist eine Ausschnitts-Seitenansicht eines Strahllenkungsmechanismusses, der einen Kantenstrahllaser, eine Stablinse und eine Kaskade von zwei MEMS-Typ-Mikrospiegeln aufweist, die zu einer Auslenkung in zwei Achsen fähig sind; 6C Figure 4 is a cutaway side view of a beam steering mechanism having an edge beam laser, a rod lens, and a cascade of two MEMS-type micromirrors capable of deflection in two axes;
6D ist eine Ausschnitts-Seitenansicht eines Strahllenkungsmechanismusses, der einen Vertikal-Kavität-Oberflächenlaser, ein Siliziumsubstrat und einen MEMS-Typ-Mikrospiegel aufweist, der zu einer Auslenkung in zwei Achsen fähig ist; 6D Figure 4 is a cutaway side view of a beam steering mechanism having a vertical cavity surface laser, a silicon substrate, and a MEMS-type micromirror capable of deflection in two axes;
6E zeigt eine perspektivische Ansicht der in 6B gezeigten Struktur, und das gepixelte Fernfeldmuster, welches von dem gepulsten Lasersender überstrichen („gesweept”) wird; 6E shows a perspective view of the in 6B and the pixellated far-field pattern which is swept by the pulsed laser transmitter;
7A ist eine perspektivische Ansicht eines optischen Verstärkungsblockes, welche ein verschmolzenes Faserbündel von Erbium-dotierten Fasern zeigt, wobei an jede der vier Seiten ein streuendes optisches Planelement gekoppelt ist; 7A Fig. 12 is a perspective view of an optical amplification block showing a fused bundle of erbium-doped fibers, with a diffusive optical plane coupled to each of the four sides;
7B ist eine perspektivische Ansicht eines optischen Verstärkungsblockes, welche die Anordnung eines Arrays von Vertikal-Kavität-Oberflächenlasern (VCSEL) an einer von vier Seiten zeigt; 7B Fig. 12 is a perspective view of an optical amplification block showing the arrangement of an array of vertical cavity surface lasers (VCSELs) on one of four sides;
7C ist eine Draufsicht auf den optischen Verstärkungsblock aus 7C, welche ein verschmolzenes Faserbündel von Erbium-dotierten Fasern zeigt, wobei an jede von vier Seiten ein streuendes optisches Planelement gekoppelt ist, und wobei ein VCSEL-Array an jede der vier Seiten gekoppelt ist; 7C is a plan view of the optical amplification block 7C showing a fused fiber bundle of erbium-doped fibers, with a diffusive optical planar element coupled to each of four sides, and with a VCSEL array coupled to each of the four sides;
8 ist eine Ausschnitts-Seitenansicht eines Ladarsensors mit einem optischen Verstärkungsblock von verschmolzenen Fasern, welche optisch durch ein VCSEL-Array gepumpt werden, das über ein streuendes Element und einen dichroitischen 45°-Spiegel gekoppelt ist; 8th Figure 4 is a cutaway side view of a ladar sensor having an optical gain block of fused fibers that are optically pumped through a VCSEL array coupled via a scattering element and a 45 ° dichroic mirror;
9 ist eine Ausschnitts-Seitenansicht eines Ladarsensors mit einem Array von optischen Halbleiterverstärkern (SOAs), die in dem Lichtempfangspfad positioniert sind; 9 Fig. 12 is a cutaway side view of a ladar sensor having an array of semiconductor optical amplifiers (SOAs) positioned in the light receiving path;
10A ist eine Ausschnitts-Seitenansicht eines individuellen Elements des Arrays von optischen Halbleiterverstärkern (SOAs) aus 9; 10A FIG. 4 is a partial side view of an individual element of the array of semiconductor optical amplifiers (SOAs) 9 ;
10B ist eine Ausschnitts-Seitenansicht eines individuellen Elements des Arrays von optischen Halbleiterverstärkern (SOAs) aus 9, welche die Bildung auf einem optischen Planelement zeigt; 10B FIG. 4 is a partial side view of an individual element of the array of semiconductor optical amplifiers (SOAs) 9 showing the formation on an optical plane element;
11 ist eine Ausschnitts-Seitenansicht eines hybriden Fokalebenen-Arrays (FPA), das ein InGaAs-Detektorarray verwendet, das auf einer metamorphen Epitaxieschicht gewachsen wurde, welche auf einem kostengünstigen GaAs-Substrat gewachsen wurde. Das Detektorarray ist an einem integrierten Ausleseschaltkreis (ROIC) angebracht, welcher eine Anzahl von „Front-to-Back”-Verbindungen aufweist, welche mit Hilfe von durch das Substrat hindurch verlaufenden Kontaktierungen hergestellt wurden. 11 Figure 4 is a cutaway side view of a hybrid focal plane array (FPA) using an InGaAs detector array grown on a metamorphic epitaxial growth layer grown on a low cost GaAs substrate. The detector array is mounted on a read-out integrated circuit (ROIC) which has a number of "front-to-back" connections made by contacts made through the substrate.
12 ist eine Ausschnitts-Seitenansicht eines hermetischen Gehäuses, welches das Hybrid-Fokalebenen-Array (FPA) aus 11 enthält; 12 FIG. 12 is a cutaway side view of a hermetic housing incorporating the hybrid focal plane array (FPA). FIG 11 contains;
13 ist eine Ausschnitts-Seitenansicht eines hybriden Fokalebenen-Arrays (FPA), welches ein InGaAs-Detektorarray verwendet, das auf einer metamorphen Epitaxieschicht gewachsen wurde, welche auf einem kostengünstigen GaAs-Substrat gewachsen wurde. Das Detektorarray ist an einem elektrischen Verstärkerarray mit elektrischen „Front-to-Back”-Kontakten angebracht, welche mit Hilfe von durch das Substrat verlaufenden Kontaktierungen (TSVs) hergestellt wurden. Das Verstärkerarray ist an einem Substrat angebracht, welches eine hermetische Fensterabdeckung aufweist. Auf der Rückseite des Substrats ist ein integrierter Ausleseschaltkreis (ROIC) angebracht. 13 Figure 5 is a cutaway side view of a hybrid focal plane array (FPA) employing an InGaAs detector array grown on a metamorphic epitaxial growth layer grown on a low cost GaAs substrate. The detector array is attached to an electrical amplifier array with front-to-back electrical contacts made by substrate contacting (TSVs). The amplifier array is mounted on a substrate having a hermetic window covering. An integrated readout circuit (ROIC) is mounted on the back side of the substrate.
14 ist eine Ausschnitts-Seitenansicht eines hybriden Fokalebenen-Arrays (FPA), welches ein Array von diskreten InGaAs-Detektoren verwendet, die an einem elektrischen Verstärkerarray mit elektrischen „Front-to-Back”-Kontakten befestigt sind, welche mit Hilfe von durch das Substrat verlaufenden Durchkontaktierungen hergestellt wurden. Das Verstärkerarray ist an einem gedruckten Schaltkreissubstrat befestigt. Auf der Rückseite des Schaltkreissubstrats ist ein integrierter Ausleseschaltkreis (ROIC) befestigt. 14 Figure 4 is a cutaway side view of a hybrid focal plane array (FPA) employing an array of discrete InGaAs detectors attached to an electrical amplifier array with front-to-back electrical contacts passing through the substrate extending vias were made. The amplifier array is attached to a printed circuit substrate. An integrated readout circuit (ROIC) is mounted on the back side of the circuit substrate.
15A zeigt einen Siliziumwafer, der an einen Wafer von Indiumphosphid mit einer epitaktischen Schicht aus Indiumgalliumarsenid gebondet ist, welche für die Bildung eines P-intrinsisch-N(PIN)-Detektor geeignet ist; 15A shows a silicon wafer bonded to a wafer of indium phosphide with an epitaxial layer of indium gallium arsenide suitable for the formation of a P-intrinsic N (PIN) detector;
15B zeigt den an den Siliziumwafer gebondeten Indiumphosphid-Wafer, wobei ein Großteil der Indiumphosphid-Wafer-Dicke entfernt wurde; 15B Figure 4 shows the indium phosphide wafer bonded to the silicon wafer with much of the indium phosphide wafer thickness removed;
15C zeigt die Bildung von isolierten Mesas einer PIN-Struktur in der Indiumgalliumarsenid-Epitaxieschicht durch Erzeugung von Gräben im Indiumphosphid und einer Epitaxieschicht von Indiumgalliumarsenid; 15C shows the formation of isolated mesas of a PIN structure in the indium gallium arsenide epitaxial layer by creating trenches in the indium phosphide and an epitaxial layer of indium gallium arsenide;
15D zeigt die Bildung sowohl von Anoden- als auch Kathoden-Kontakten auf den isolierten PIN-Mesastrukturen; 15D Figure 4 shows the formation of both anode and cathode contacts on the isolated PIN mesas;
16 zeigt eine Draufsicht auf das Detektorarray aus 16D, befestigt an einem Unterstützungs-Schaltkreissubstrat, und mit einer Anzahl von Entkopplungskondensatoren, die entlang der Länge angebracht sind; 16 shows a plan view of the detector array 16D attached to a support circuit substrate, and having a number of decoupling capacitors mounted along the length;
17 zeigt ein Schema für ein Pixel-Verstärkerelement des Verstärkerarrays aus 13 bis 14 und mit einem Detektorelement eines Detektorarrays der in 4, 5, 8 und 11 bis 16 beschriebenen Typen. 17 shows a scheme for a pixel amplifier element of the amplifier array 13 to 14 and with a detector element of a detector array of in 4 . 5 . 8th and 11 to 16 described types.
Detaillierte BeschreibungDetailed description
Diese Anmeldung enthält neue Gegenstände, die sich auf die vorherigen Patente US 5,696,577 , US 6,133,989 , US 5,629,524 , US 6,414,746 , US 6,362,482 , D463,383 sowie US-Patentanmeldung Nr. 10/066340 mit Anmeldedatum vom 31. Januar 2002 und als US 2002/0117340 A1 veröffentlicht, deren Offenbarungen hier durch Bezugnahme mit enthalten sind.This application contains new items that refer to the previous patents US 5,696,577 . US 6,133,989 . US 5,629,524 . US 6,414,746 . US 6,362,482 , D463,383 and US Patent Application No. 10/066340, filed on January 31, 2002 and incorporated herein by reference US 2002/0117340 A1 , the disclosures of which are incorporated herein by reference.
Die hierin offenbarten Ausführungsformen ermöglichen ein kompaktes Abbildungs-Ladarsystem mit verbesserter Leistung. Die Anwendungen für ein solches System können automobile Kollisionsvermeidung und autonomes Navigieren sein, Gelände-Mapping, Landen und Andocken sowie 3D-Film-/Graphik-Aufnahmen sein. Die Verbesserungen umfassen einen optischen Verstärkungsblock, der aus einem Array von Erbium-dotierten Fasern konstruiert oder in einem Halbleiter gebildet werden kann. In einer Multi-Ladar-Installation wird eine Möglichkeit zur Koordinierung der Beleuchtungspulse eines ersten Ladarsenders mit dem Empfänger eines zweiten Ladars beschrieben, was die Einflüsse von Sättigung aufgrund eines Rand-Reflektors im Bildfeld reduzieren kann. Zusätzlich wird eine Anzahl von Verbesserungen an der Detektorarray-Subanordnung aufgezeigt. Die Hybrid-Anordnung des Detektorarrays und des integrierten Ausleseschaltkreises (ROIC) verkörpern eine Anzahl von neuartigen Merkmalen. Die Verwendung eines separaten Analogverstärkerarrays, das zwischen dem Detektorarray und dem Auslese-IC angeordnet ist, ermöglicht eine gesteigerte Systemresponsivität. Siliziumdurchkontaktierungen (TSVs) werden auf dem Verstärkerarray und auf dem Auslese-IC verwendet, um eine kompakte Hybrid-Fokalebenen-Array(FPA)-Anordnung zu ermöglichen, welche kostengünstig zusammenzusetzen ist und aufgrund einer Reduktion in der parasitären Induktanz in dem Package eine höhere elektrische Leistung bzw. Performance aufweist. Es werden außerdem zwei neue Detektortechnologien beschrieben. Eine PIN-Detektorstruktur von Indiumgalliumarsenid ist auf einer gestrainten metamorphen Schicht über einem Galliumarsenidsubstrat gebildet, was die Bearbeitung von kostengünstigen Galliumarsenid-Wafern bis zu sechs Zoll Durchmesser zulässt. Die zweite Detektorstruktur umfasst eine InGaAs-PIN-Struktur, welche auf dem Waferlevel an ein kostengünstiges Siliziumsubstrat gebondet ist. Diese Technologie ermöglicht eine erweiterte thermische Leistung sowie Standardprozesse zum Löt-Bump-Verbinden. Die Verwendung eines Laserstrahl-Lenkmechanismusses ermöglicht, dass der Ladarsensor das Bildfeld in einer Anzahl von sequentiellen Schritten beleuchtet, was das Spitzenleistungserfordernis für den Laserstrahl reduziert. Die Verwendung eines Strahllenkungsmechanismusses ermöglicht die Verwendung von Halbleiter-Pulslasern, welche dafür bekannt sind, eine geringere Leistungsausgabe als ihre Festkörper-Gegenstücke aufzuweisen. Es wird eine Anzahl von Laserstrahllenkungsdesigns beschrieben, welche ermöglichen, dass ein Ladarsensor einen Halbleiter-Pulslaser mit geringerer Leistung verwendet, und welche den Strahl schrittweise durch das Bildfeld scannen.The embodiments disclosed herein enable a compact imaging charger system with improved performance. The applications for such a system may be automobile collision avoidance and autonomous navigation, terrain Mapping, landing and docking as well as 3D movie / graphic shots. The improvements include an optical gain block that can be constructed from an array of erbium-doped fibers or formed in a semiconductor. In a multi-ladar installation, a way of coordinating the illumination pulses of a first ladar transmitter with the receiver of a second ladar is described, which may reduce the effects of saturation due to an edge reflector in the image field. In addition, a number of improvements to the detector array subassembly are presented. The hybrid arrangement of the detector array and the integrated readout circuit (ROIC) embody a number of novel features. The use of a separate analog amplifier array located between the detector array and the readout IC allows for increased system responsiveness. Silicon vias (TSVs) are used on the amplifier array and on the readout IC to enable a compact hybrid focal plane array (FPA) arrangement that is inexpensive to assemble and has higher electrical potential due to a reduction in parasitic inductance in the package Performance or performance. Two new detector technologies are also described. A PIN detector structure of indium gallium arsenide is formed on a strained metamorphic layer over a gallium arsenide substrate, allowing the processing of inexpensive gallium arsenide wafers up to six inches in diameter. The second detector structure includes an InGaAs PIN structure bonded to a low cost silicon substrate at the wafer level. This technology provides advanced thermal performance and standard solder bump bonding processes. The use of a laser beam steering mechanism allows the ladar sensor to illuminate the image field in a number of sequential steps, reducing the peak power requirement for the laser beam. The use of a beam steering mechanism allows the use of semiconductor pulse lasers which are known to have lower power output than their solid state counterparts. A number of laser beam steering designs are described which allow a ladar sensor to use a lower power semiconductor pulse laser and which scan the beam stepwise through the field of view.
Ein Fahrzeug-montiertes Ladarsystem kann eine Anzahl von seitlich montierten, Heck-montierten oder nach vorne gerichteten Ladarsensoren des hierin beschriebenen Typs umfassen. Diese Ladarsensoren können mit einer zentralen Ladarsystemsteuerung verbunden sein, welche die verfügbaren Daten von jedem der unabhängigen Ladarsensoren in ein zusammengesetztes 3D-Bild des unmittelbaren Bereiches in einem vollen, das Fahrzeug umgebenden, 360°-Umkreis zusammensetzt. In einer bevorzugten Ausführungsform können herkömmliche 2D-Standbilder oder -videosequenzen verwendet werden, um die Qualität der 3D-Festkörper und Szene-Abbildungen zu verbessern.A vehicle mounted loader system may include a number of side mounted, rear mounted, or forward facing load sensors of the type described herein. These load sensors may be connected to a central charging system controller which compiles the available data from each of the independent load sensors into a composite 3D image of the immediate area in a full 360 ° circuit surrounding the vehicle. In a preferred embodiment, conventional 2D still images or video sequences may be used to enhance the quality of the 3D solids and scene mappings.
Bei einer Fahrzeuganwendung kann der Ladarsensor in einem Frontscheinwerfer, in einem Rücklicht oder in einer anderen Zusatzleuchtenanordnung eingegliedert sein. Der Ladarsensor kann außerdem Teil einer Rückfahrleuchte, Rückspiegelanordnung sein, oder hinter einer Öffnung in einer Stoßstange oder Frontgrillanordnung angebracht sein, oder kann oben hinter der Windschutzscheibe, an einem Dachelement oder in einer Modulanordnung durch einen Ausschnitt hindurch in einem Karosserieblech an der Außenseite des Fahrzeuges befestigt sein. Der Ladarsensor umfasst typischerweise eine hybride Anordnung eines Fokalebenen-Arrays und eines integrierten Ausleseschaltkreises, wobei der Auslese-IC als ein Array von elektrischen Einheitszellenschaltkreisen angeordnet ist, und wobei jede Einheitszelle dazu ausgebildet ist, in ein Array mit identischem Abstand und Reihenfolge als das entsprechende Fokalebenen-Array (FPA) hinein zu passen. Der Ladarsensor ist in einer bevorzugten Ausführungsform in der Lage, in einer, wie oben beschriebenen, Flash-Betriebsart zu arbeiten, oder in einer Multi-Puls-Betriebsart, oder in einer gepulsten Continuous-Wave-Betriebsart, je nachdem, wie es die Situation erfordert. Das Ladarsystem mit dem Ladarsensor kann außerdem eine Anzahl von Eigenschaften aufweisen, welche ein vollständiges 3D-Objekt-Modellieren und -Tracking ermöglichen, als auch Szenen-Erweiterungen, welche aus dem Zusammenführen von 2D- und 3D-Datenbanken abgeleitet werden, und ein Verwalten sowohl von 3D-Ladarsensoren als auch herkömmlichen 2D-Videokameras ermöglichen.In a vehicle application, the charger sensor may be incorporated in a headlamp, in a taillight, or in another auxiliary light assembly. The ladar sensor may also be part of a reversing light, rearview mirror assembly, or mounted behind an opening in a bumper or front grille assembly, or may be mounted above the windshield, on a roof panel, or in a module assembly through a cutout in a body panel on the outside of the vehicle be. The ladar sensor typically includes a hybrid arrangement of a focal plane array and an integrated readout circuit, the readout IC being arranged as an array of unit electrical cell circuits, and wherein each unit cell is formed into an array of identical pitch and order as the corresponding focal plane Array (FPA). The ladar sensor, in a preferred embodiment, is capable of operating in a flash mode as described above, or in a multi-pulse mode, or in a pulsed continuous-wave mode, as the situation may be requires. The ladar system ladar system may also have a number of features that allow for full 3D object modeling and tracking, as well as scene enhancements derived from merging 2D and 3D databases, and managing both of 3D load sensors as well as conventional 2D video cameras.
Jeder der lichtempfindlichen Detektoren des FPA weist einen Ausgang auf, der ein elektrisches Antwortsignal von einem reflektierten Teil der Laserlichtausgabe produziert. Die elektrischen Antwortsignale werden mit einem integrierten Ausleseschaltkreis (ROIC) mit einem entsprechenden Array von elektrischen Einheitszellenschaltkreisen verbunden. Jeder der elektrischen Einheitswellenschaltkreise weist einen Eingang auf, der mit einem von den lichtempfindlichen Detektorausgängen verbunden ist, einen elektrischen Antwortsignal-Verstärker und einen Demodulator, und einen Abstandsmessschaltkreis, der mit einem Ausgang des elektrischen Antwortsignal-Demodulators verbunden ist. Der Demodulator kann ein Spannungsabtaster und Analogschieberegister zum Speichern von sequentiellen Abtastungen der elektrischen Antwortsignale sein, oder kann einen Mixer, Integrator oder einen Optimalfilter (Matched Filter) umfassen. In der Abtastbetriebsart verwendet jede Einheitszelle einen Referenztakt, um die Abtastungen zeitlich abzustimmen, welche in Antwort auf die aufgenommene Reflexion des Laserlichts von einer Zieloberfläche vorgenommen werden. Die Demodulation kann auch außerhalb des integrierten Ausleseschaltkreises vorgenommen werden, und zwar durch einen schnellen Digitalprozessor, der nach einer Sequenz von digitalisierten Abtastungen von jedem Pixel arbeitet. Der schnelle Digitalprozessor kann Algorithmen anwenden, welche gewichtete Summen sequentieller Analogabtastungen verwenden, oder welche schnelle Fourier-Transformationen, eine Faltung, Integration, Differenzierung, Kurvenanpassung oder andere Digitalverfahren an den digitalisierten Analogabtastungen der elektrischen Antwort anwenden. Der schnelle Digitalprozessor kann außerdem Algorithmen anwenden, welche die Wegstrecke von anderen Objekten sowie Objekte voneinander isolieren oder aufteilen. Solche Objekte können Automobile, Fahrräder, Motorräder, Lastwagen, Personen, Tiere, Wände, Verkehrszeichen, Straßenhindernisse usw. sein. Diese Algorithmen können eine Position und Ausrichtung berechnen, als auch eine Objektgeschwindigkeit. Objekte, ihre Ausrichtung, Position und Geschwindigkeit können für eine weitere Bearbeitung und Entscheidungsfindung an einen Zentralcomputer übertragen werden. Jeder Einheitszellenschaltkreis weist die Fähigkeit auf, die Form des zurückgeführten Ladarpulses zu bewahren, und Eingriffe hinsichtlich der Form der Oberfläche innerhalb einer Pixelgrenze vorzunehmen, bei Projektion in einem Abstand von dem Fokalebenen-Array, und zwar auf Grundlage der Form des reflektierten Lichtpulses. Der Abstandsmessschaltkreis ist weiterhin mit einem Referenzsignal verbunden, das eine Nullabstand-Referenz für die modulierte Laserlichtausgabe bereitstellt.Each of the light sensitive detectors of the FPA has an output that produces an electrical response signal from a reflected portion of the laser light output. The electrical response signals are connected to a corresponding array of unit electrical cell circuits using a read-out integrated circuit (ROIC). Each of the unitary electric wave circuits has an input connected to one of the photosensitive detector outputs, an electrical response signal amplifier and a demodulator, and a distance measuring circuit connected to an output of the electrical response signal demodulator. The demodulator may be a voltage sampler and analog shift registers for storing sequential samples of the electrical response signals, or may comprise a mixer, integrator or matched filter. In the sampling mode, each unit cell uses a reference clock, to time the samples made in response to the received reflection of the laser light from a target surface. The demodulation may also be done outside of the integrated readout circuit by a high speed digital processor that operates on a sequence of digitized samples from each pixel. The fast digital processor may employ algorithms that use weighted sums of sequential analog samples or that apply fast Fourier transforms, convolution, integration, differentiation, curve fitting or other digital techniques to the digitized analog samples of the electrical response. The fast digital processor may also employ algorithms that isolate or divide the path of other objects and objects. Such objects may be automobiles, bicycles, motorcycles, trucks, people, animals, walls, traffic signs, road obstacles, etc. These algorithms can calculate a position and orientation, as well as an object speed. Objects, their orientation, position and speed can be transmitted to a central computer for further processing and decision-making. Each unit cell circuit has the ability to preserve the shape of the returned ladar pulse and to intervene with respect to the shape of the surface within a pixel boundary when projected at a distance from the focal plane array, based on the shape of the reflected light pulse. The pitch measuring circuit is further connected to a reference signal providing a zero-distance reference for the modulated laser light output.
1 zeigt eine Situation, welche eine der Herausforderungen darstellt, welche bei einer praktischen Anwendung eines Ladarsensors der vorliegenden Erfindung auftreten. In dieser Darstellung weist ein Fahrzeug 2 einen langreichweitigen Ladarsensor 4 auf, der in einer Frontscheinwerferanordnung an der Front des Fahrzeuges angebracht ist. Das zugehörige Beleuchtungsmuster 6 hat eine Fächerform, wie es durch die gestrichelten Linien dargestellt ist. Das Beleuchtungsmuster 6 reflektiert von dem „Katzenauge”-artigen Retroreflektor 12, der in den Straßenbelag beim Zebrastreifen 20 eingebettet ist und einen reflektierten Strahl 14 erzeugt. Katzenaugen-Retroreflektoren sind prismatische Reflektoren, welche analog zu einem Triple-Spiegel (corner cube) auf dem Gebiet der Optik sind. Katzenaugen-Retroreflektoren wurden entwickelt, um unter Bedingungen mit wenig Licht und gar kein Licht hervorragende Straßenmarkierungen bereitzustellen. Das Beleuchtungsmuster 6 reflektiert außerdem von der Oberfläche des retroreflektierenden Stoppzeichens 16, wobei der reflektierte Strahl 18 erzeugt wird. Viele Stoppzeichen verwenden eine retroreflektierende Beschichtung, wie zum Beispiel 3MTM Diamond GradeTM-Reflexionsbeschichtung, welche im Verkehr für Gefahr-, Vorschrift-, Richtzeichen sowie Verkehrseinrichtungen verwendet wird. Die Beschichtung ist hoch-reflektiv, haltbar, und erfüllt unter allen Licht- und Wetterbedingungen ein weites Spektrum an Zeichen-Sichtbarkeitserfordernissen. Andere Stoppzeichen verwenden eine erweiterte Beschichtung mit einer prismatischen Mikrostruktur, wie zum Beispiel 3MTM High Intensity Prismatic(HIP)-Beschichtung. Diese Beschichtung stellt ein hohes Maß an Retroreflektivität für unterschiedliche Verkehrssituationen bereit und weist eine ausgezeichnete Langzeit-Reflektivität und Haltbarkeit auf. Ein zweiter langreichweitiger Ladarsensor 8 mit einem Beleuchtungsmuster 10 ist in einer Frontscheinwerferanordnung auf der Fahrerseite des Fahrzeuges 2 montiert. Der retroreflektierte Strahl 14 und der retroreflektierte Strahl 18 repräsentieren sehr intensive optische Signale, welche das Potential haben, die Detektoren des Fokalebenen-Arrays des Ladarsensors 4 zu übersteuern bzw. zu sättigen. Die intensiven retroreflektierten Strahlen 14 und 18 können außerdem ein optisches Übersprechen in dem Fokalebenen-Array des Ladarsensors 4 erzeugen. 1 Fig. 11 shows a situation which represents one of the challenges encountered in a practical application of a ladar sensor of the present invention. In this illustration, a vehicle points 2 a long-range ladar sensor 4 on, which is mounted in a front headlamp assembly at the front of the vehicle. The associated lighting pattern 6 has a fan shape, as shown by the dashed lines. The lighting pattern 6 reflected from the "cat's eye" -like retroreflector 12 standing in the road surface at the crosswalk 20 is embedded and a reflected beam 14 generated. Cat eye retroreflectors are prismatic reflectors analogous to a corner cube in the field of optics. Cat eye retroreflectors have been developed to provide excellent road markings under low light and no light conditions. The lighting pattern 6 also reflects off the surface of the retroreflective stop sign 16 , where the reflected beam 18 is produced. Many stop signs use a retroreflective coating, such as 3M ™ Diamond Grade ™ Reflective Coating, which is used in traffic for hazard, regulation, directional and traffic signs. The coating is highly reflective, durable, and meets a wide range of character visibility requirements under all lighting and weather conditions. Other stop signs use an extended coating with a prismatic microstructure, such as 3M ™ High Intensity Prismatic (HIP) coating. This coating provides a high degree of retroreflectivity for different traffic situations and has excellent long term reflectivity and durability. A second long-range ladar sensor 8th with a lighting pattern 10 is in a front headlight assembly on the driver side of the vehicle 2 assembled. The retroreflected beam 14 and the retroreflected beam 18 For example, very intense optical signals that have the potential represent the detectors of the focal plane array of the ladar sensor 4 to override or to saturate. The intense retroreflected rays 14 and 18 can also provide optical crosstalk in the focal plane array of the load sensor 4 produce.
2 zeigt die Vorteile der vorliegenden Erfindung. Das Beleuchtungsmuster 10 des langreichweitigen Ladarsensors, der in der Fahrerseiten-Frontscheinwerferanordnung 8 eingebettet ist, beleuchtet den Katzenaugen-Retroreflektor 12 nunmehr in einem schiefen Winkel. Der beifahrerseitige Ladarsensor 4 ist ausgeschaltet oder befindet sich zwischen Pulsintervallen. Die Reflexion 22 von dem Katzenaugen-Retroreflektor 12 bei schräger Beleuchtung ist wie von einer gewöhnlichen Zerstreuungsreflektoroberfläche und wird nicht die intensive niedrige Divergenzeigenschaft des prismatischen Katzenaugen-Retroreflektors 12 aufweisen, und zwar bei Beleuchtung mit Licht unter normalem Einfallswinkel von dem beifahrerseitigen langreichweitigen Ladarsensor 4, wie es in 1 gezeigt ist. Um eine genaue Abstandsmessung bei Vorhandensein der intensiven Reflexionen von einem Retroreflektor 12 zu erzeugen, der senkrecht zu dem Beleuchtungsstrahl des langreichweitigen Ladarsensors 4 positioniert ist, wird der beifahrerseitige Ladarsensor 4 in einer Nur-Aufnahme-Betriebsart zwischen Pulsen betrieben, welche der Sensor in regelmäßigen Abständen bzw. Intervallen aussenden kann. Der kooperierende fahrerseitige Ladarsensor 8 beleuchtet die Szene und den Katzenaugen-Retroreflektor 12. Für eine genaue Messung des Abstandes zu dem Retroreflektor 12, bzw. zu einem beliebigen Objekt im Bildfeld, muss der beifahrerseitige Ladarsensor einen Hinweis über die Ausstrahlung eines beleuchtenden Laserpulses von dem fahrerseitigen Ladarsensor 8 empfangen. Dieser Hinweis kann auf einem von zwei Pfaden kommen, wobei der erste ein Laser-Flash-Signal direkt von dem fahrerseitigen Ladarsensor 8 über bidirektionale Verbindungen 24 ist. Die bidirektionalen Verbindungen 24 können entweder elektrische Verbindungen oder Faseroptik-Verbindungen sein, abhängig von der Konstruktion des Fahrzeuges. Der zweite Pfad für einen Hinweis der Übertragung eines Beleuchtungspulses kann von einer zentralen Ladarsystemsteuerung 28 über bidirektionale Verbindungen 26 kommen. Beide Ansätze können mit ähnlichen Ergebnissen eingesetzt werden, sobald das System hinsichtlich der durch die Übertragung des Laser-Flash-Signals über die bidirektionalen Verbindungen 24 oder 26 verursachten Verzögerungen kalibriert ist. Ebenso kann der fahrerseitige Ladarsensor 8 in einer Nur-Empfang-Betriebsart betrieben werden, wobei der die Szene beleuchtende Laserpuls von dem beifahrerseitigen Lasersender im Ladarsensor 4 kommt. Außerdem ist eine Anzahl von kurzreichweitigen Ladarsensoren 32 dargestellt, welche an den Ecken des Fahrzeuges 2 in den üblichen Karosserieausschnitten für Blinker, Rückleuchten, Bremsleuchten usw. angebracht sind. Außerdem sind in den gleichen Anordnungen 32, in welchen die kurzreichweitigen Ladarsensoren untergebracht sind, Fahrzeug-Signalleuchten montiert, wie zum Beispiel Blinklichter, Rücklichter, Bremslichter und 2D-Kameras 40 für sichtbares Licht oder Infrarot. Die langreichweitigen Ladarsensoren 34 können außerdem den Raum in den Frontscheinwerferanordnungen 4, 8 zusammen mit den 2D-Kameras 40 für sichtbares oder Infrarotlicht mit nutzen. 2 shows the advantages of the present invention. The lighting pattern 10 of the long-range ladar sensor installed in the driver side headlamp assembly 8th embedded illuminates the cat's eye retroreflector 12 now at an oblique angle. The passenger-side ladar sensor 4 is off or in between pulse intervals. The reflection 22 from the cat's eye retroreflector 12 at oblique lighting is like from an ordinary diverging reflector surface and does not get the intense low divergence characteristic of prismatic cat eye retroreflector 12 when illuminated with light at a normal angle of incidence from the passenger-side long-range ladar sensor 4 as it is in 1 is shown. To get a precise distance measurement in the presence of intense reflections from a retroreflector 12 perpendicular to the illumination beam of the long-range ladar sensor 4 is positioned, the passenger-side Ladarsensor 4 operated in an acquisition mode only between pulses, which the sensor can emit at regular intervals. The cooperating driver-side ladar sensor 8th Lights the scene and cat's eye retroreflector 12 , For an accurate measurement of the distance to the retroreflector 12 , or to any object in the image field, the passenger-side Ladarsensor has an indication of the radiation of an illuminating laser pulse from the driver-side Ladarsensor 8th receive. This indication may come on one of two paths, the first being a laser flash signal directly from the driver's side Ladarsensor 8th over bidirectional connections 24 is. The bidirectional connections 24 can be either electrical connections or fiber optic connections, depending on the design of the vehicle. The second path for an indication of the transmission of a lighting pulse may be from a central charging system controller 28 over bidirectional connections 26 come. Both approaches can be used with similar results once the system is over by the transmission of the laser flash signal over the bidirectional connections 24 or 26 caused delays is calibrated. Likewise, the driver-side Ladarsensor 8th are operated in a receive only mode, wherein the laser pulse illuminating the scene from the passenger side laser transmitter in the ladar sensor 4 comes. There are also a number of short-range charge sensors 32 shown at the corners of the vehicle 2 in the usual body cutouts for turn signals, taillights, brake lights, etc. are attached. Besides, they are in the same arrangements 32 in which the short-range charge sensors are housed, mounted vehicle signal lights, such as flashing lights, taillights, brake lights and 2D cameras 40 for visible light or infrared. The long-range ladar sensors 34 In addition, can the space in the front headlamp assemblies 4 . 8th together with the 2D cameras 40 for visible or infrared light use.
3 ist ein Blockdiagramm, welches Details einer Ladarsystemsteuerung 30 und die Verbindungen mit den kooperierenden Systemen eines Host-Fahrzeuges 2 zeigt. Die Ladarsystemsteuerung 30 ist eine Zwischenfunktion, welche alle 3D-Daten integriert, welche von den verschiedenen am Host-Fahrzeug installierten Ladarsensoren aufgenommen wurden, während sie den Status dieser Sensoren überwacht und für diese Sensoren Steuereingaben bereitstellt. Die Ladarsystemsteuerung 30 kann bei einigen Fahrzeugkonstruktionen als ein Teil einer Software oder Hardware innerhalb der Fahrzeug-CPU 48 zusammengefasst werden. Die Ladarsystemsteuerung 30 überträgt Anweisungen an die kurzreichweitigen Ladarsensoren SRU1-4 32, und an die langreichweitigen Ladarsensoren LRU1-2 34. Ein Glasfaser- und Kabelbaum 26 stellt die physischen Mittel zum Übertragen der Anweisungen von der Ladarsystemsteuerung 30 zu den verschiedenen Ladarsensoren bereit. 3D-Daten- und Statussignale werden von den verschiedenen Ladarsensoren über den Glasfaser- und Kabelbaum 26 zurück an die Ladarsystemsteuerung 30 übertragen. Ebenso werden Befehlssignale an eine Anzahl (n) von 2D-Kameras 40 gesendet, wobei Status- und Bilddaten von den 2D-Kameras über den Kabelbaum 26 an die Ladarsystemsteuerung 30 zurückgegeben werden. Beide der langreichweitigen Sensoreinheiten 34 verbinden sich über einen Satz von bidirektionalen Verbindungen, welche die Sender und Empfänger innerhalb jeder langreichweitigen Sensoreinheit 34 logisch umfassen, die physischen Mittel des Glasfaser- und Kabelbaums 26, und die Sender und Empfänger der Ladarsystemsteuerung 30. Jede kurzreichweitige Sensoreinheit 32 verbindet sich über einen Satz von bidirektionalen Verbindungen, welche die Sender und Empfänger innerhalb jeder kurzreichweitigen Sensoreinheit logisch umfassen, die physischen Mittel des Glasfaser- und Kabelbaums 26, und die Sender und Empfänger der Ladarsystemsteuerung 30. Bei einigen Installationen können Verbindungen direkt zwischen Ladarsensoren 34 über bidirektionale Verbindungen 24 hergestellt werden. Die Ladarsystemsteuerung 30, einschließlich D/A- und A/D-Signalumwandlern, kann vollständig oder teilweise auf einem integrierten Ausleseschaltkreis angeordnet sein (in 4). Die Ladarsystemsteuerung 30 kann eine Szene-Bearbeitungs-Funktion aufweisen, welche ermöglicht, die von jedem der in Betrieb gesetzten Ladarsensoren empfangenen 3D-Frames zu einer zusammengesetzten 3D-Abbildung des gesamten Raums direkt vor und neben dem Fahrzeug 2 zusammenzusetzen, und kann außerdem die 3D-Abbildung mit 2D-Bilddaten, welche von einer Anzahl (n) von 2D-Still- bzw. Videokameras 40 empfangen wurden, zusammenführen, um eine Erweiterung von Auflösung, Farbe und Kontrast bereitzustellen. Das Hinzufügen herkömmlicher 2D-Still- bzw. Videokameras 40 gibt dem System eine erweiterte Fähigkeit zur Objektidentifizierung. Die Ladarsystemsteuerung 30 empfängt Statusdaten von den Ladarsensoren, wobei Lasertemperatur, übertragene Laserpulsleistung und Pulsform, Empfängertemperatur, Hintergrundlichtpegel usw. angezeigt werden, und trifft Entscheidungen hinsichtlich Einstellungen globaler Eingabeparameter für die verschiedenen zu steuernden Ladarsensoren. Globale Einstellungen für Detektorbias, Ausleseempfindlichkeit, Aufnahmemodi, Filterbandbreite usw. können von der Ladarsystemsteuerung 30 an einen gegebenen Ladarsensor gesendet werden, der die lokalen Einstellungen überstimmen kann, welche ursprünglich von einem innerhalb eines bestimmten Ladarsensors residierenden lokalen Steuerprozessor eingestellt bzw. angepasst wurden. Die Ladarsystemsteuerung 30 kann außerdem einen internen nicht-flüchtigen Speicher aufweisen, um einen Speicherort für die Programme bereitzustellen, welche auf der Ladarsystemsteuerung 30 laufen, und der verwendet werden kann, um Statusdaten und andere Daten abzuspeichern, welche für den Systemstart nützlich sind. In der Ladarsystemsteuerung 30 residiert ein Kommunikationsanschluss (Comm Port) zum Übermitteln von Daten- und Steuerbefehlen und Statussignalen über bidirektionale Verbindungen 42. Der Kommunikationsanschluss ist typischerweise ein Ethernetanschluss oder Gigabit-Ethernetanschluss, kann aber auch ein CAN-Bus, USB, IEEE 1394, InfiniBand, oder eine andere Art von Datenanschluss bzw. -port sein, und ist dabei derart verbunden, um bidirektionale Kommunikationen mit den elektrischen Fahrzeugsystemen und einer zentralen Bearbeitungseinheit 48 bereitzustellen. Die Verbindungen 42 können optisch, elektrisch oder eine Kombination aus beidem sein, und umfassen alle Sender und Empfänger, welche notwendig sind, um die Datensignale in beiden Richtungen zu konditionieren und zu übertragen. Die 3D-Abstandsdaten, welche aus den Reflexionen des modulierten Laserlichts abgeleitet wurden, ermöglichen eine Festlegung eines anfänglichen Objektmodells, und ermöglichen eine gewisse Objektidentifikation, welche in einem Prozessor der am Fahrzeug 2 installierten individuellen Ladarsensoren stattfindet. Verfeinerungen des Objektmodells können auf höheren Ebenen im System vorgenommen werden, wo Daten von den mehreren Sensoren mit den Daten von vorherigen Frames integriert werden können. Diese Möglichkeit des Betrachtens vergangener („historischer”) Daten als auch aktueller Daten ermöglicht eine Betrachtung verschiedener Verkehrsgefährdungen und Kollisionsgefahren aus einer Mehrzahl von Blickwinkeln, wenn sich das Fahrzeug 2 vorwärts bewegt, wodurch einige Schatten eliminiert werden, während zusätzliche Gestalt-Informationen aus der Betrachtung von mehreren Blickwinkeln hergeleitet werden. 3 is a block diagram showing details of a ladder system controller 30 and the connections with the cooperating systems of a host vehicle 2 shows. The Ladar system control 30 is an intermediate function that integrates all 3D data captured by the various load sensors installed on the host vehicle while monitoring the status of these sensors and providing control inputs to those sensors. The Ladar system control 30 may be used as part of software or hardware within the vehicle CPU in some vehicle designs 48 be summarized. The Ladar system control 30 transmits instructions to the SRU1-4 short-range charger sensors 32 , and to the long-range load sensors LRU1-2 34 , A fiber optic and wiring harness 26 represents the physical means for transmitting the instructions from the ladder system controller 30 ready for the various load sensors. 3D data and status signals are received from the various load sensors via the fiber optic and wiring harness 26 back to the charging system control 30 transfer. Likewise, command signals are sent to a number (n) of 2D cameras 40 sent, with status and image data from the 2D cameras via the wiring harness 26 to the ladder system controller 30 be returned. Both of the long-range sensor units 34 connect via a set of bidirectional links connecting the transmitters and receivers within each long-range sensor unit 34 logically include the physical resources of the fiber optic and wiring harness 26 , and the sender and receiver of the charging system control 30 , Each short-range sensor unit 32 connects through a set of bi-directional links, which logically comprise the transmitters and receivers within each short-range sensor unit, the physical means of the fiber optic and harness 26 , and the sender and receiver of the charging system control 30 , In some installations, connections can be made directly between load sensors 34 over bidirectional connections 24 getting produced. The Ladar system control 30 , including D / A and A / D signal converters, may be located wholly or partially on a read-out integrated circuit (in 4 ). The Ladar system control 30 may include a scene-editing function that allows the 3D frames received from each of the powered-in load sensors to make a composite 3D image of the entire space directly in front of and adjacent to the vehicle 2 and can also provide 3D imaging with 2D image data, which is from a number (n) of 2D still or video cameras 40 merge to provide an extension of resolution, color, and contrast. The addition of traditional 2D still or video cameras 40 gives the system an advanced object identification capability. The Ladar system control 30 receives status data from the ladar sensors, indicating laser temperature, transmitted laser pulse power and pulse shape, receiver temperature, background light level, etc., and makes decisions regarding global input parameter settings for the various load sensors to be controlled. Global settings for detector bias, readout sensitivity, shooting modes, filter bandwidth, etc. can be controlled by the loader controller 30 are sent to a given loader sensor that can override the local settings originally adjusted by a local control processor resident within a particular load sensor. The Ladar system control 30 may also include internal nonvolatile memory to provide a storage location for the programs residing on the loader system controller 30 and which can be used to store status data and other data useful for booting. In the ladder system control 30 a communication port resides (comm port) for transmitting data and control commands and status signals via bidirectional connections 42 , The communications port is typically an Ethernet or Gigabit Ethernet port, but may also be a CAN bus, USB, IEEE 1394, InfiniBand, or other type of data port, and is connected to bi-directional communications with the electric vehicle systems and a central processing unit 48 provide. The connections 42 may be optical, electrical, or a combination of both, and includes all transmitters and receivers necessary to condition and transmit the data signals in both directions. The 3D distance data derived from the reflections of the modulated laser light enables definition of an initial object model, and allows for some object identification which is in a processor of the vehicle 2 installed individual Ladarsensoren takes place. Refinements of the object model can be made at higher levels in the system, where data from the multiple sensors can be integrated with data from previous frames. This ability to view past ("historical") data as well as current data allows for viewing various traffic hazards and collision hazards from a plurality of angles of view as the vehicle is approaching 2 moving forward, thereby eliminating some shadows while deriving additional shape information from viewing from multiple angles of view.
Jeder der individuellen Ladarsensoren kann Datenprozessoren umfassen, um die Bearbeitungslast auf der Ladarsystemsteuerung 30, der Fahrzeug-CPU 48 und dem Kollisions-Prozessor 44 zu reduzieren; beispielsweise zum Entwickeln der Punktwolke und zum Isolieren/Segmentieren von Objekten im Bildfeld und der Objektgeschwindigkeit aus der Punktwolke. Herkömmliche 2D-Kameras 40 für sichtbares Licht oder Infrarotlicht können in das Ladarsensor-Subsystem eingebettet sein, und können Teil einer Subanordnung sein, welche einen Ladarsensor enthält. Eine Anzahl (n) von weiteren 2D-Still- oder -Videokameras 56 für sichtbares Licht kann sich direkt mit dem Fahrzeug-Kollisionsprozessor 44 verbinden und kann Szene-Daten produzieren, welche komplementär zu den 3D-Daten sind, welche durch die verschiedenen am Fahrzeug angebrachten Ladarsensoren erzeugt worden sind. Die 2D-Still- oder -Videokameras 56 können außerdem entweder bei Wellenlängen sichtbaren Lichts oder Infrarotlichts betrieben werden. Bidirektionale elektrische Verbindungen 42 dienen außerdem dazu, 3D-Datenkarten, Status- und Steuersignale zwischen der Ladarsystemsteuerung 30 und den elektrischen Fahrzeugsystemen und der zentralen Bearbeitungseinheit (CPU) 48 zu übertragen. Im Inneren des Fahrzeuges kann ein elektronisches „Gehirn” alle Funktionen des Fahrzeuges 2 sowie typischerweise alle weiteren Subsysteme und Coprozessoren steuern. Das elektronische Gehirn, bzw. die zentrale Bearbeitungseinheit (CPU 48), ist hierbei aus den elektrischen Basissystemen des Fahrzeuges zusammengesetzt, einschließlich Batterie, Frontscheinwerfer, Kabelbaum usw. Das Fahrzeugaufhängungssystem 46 empfängt Steuerbefehle und sendet einen Status zurück, und zwar über bidirektionale elektrische Verbindungen, wobei es in der Lage ist, die Fahrzeug(fahr-)höhe, Federungsrate und Dämpfungsrate jedes Fahrzeugrads unabhängig zu modifizieren. Eine Inertialreferenz 50 weist außerdem eine vertikale Referenz bzw. einen Schwerkraftsensor für eine Eingabe an die CPU 48 auf. Eine GPS-Referenz 54 kann ebenfalls mit der Fahrzeug-CPU 48 verbunden sein. Die GPS-Referenz 54 kann außerdem eine Datenbank aller verfügbarer Straßen und Zustände in dem Gebiet aufweisen, welche periodisch über einen Drahtloslink aktualisierbar ist. Außerdem kann eine Duplex-Funkverbindung 52 mit der CPU 48 verbunden werden, und kann dabei direkt mit anderen Fahrzeugen in unmittelbarer Nähe direkt kommunizieren, und dabei Position, Geschwindigkeit, Richtung und fahrzeugspezifische Informationen mitteilen, um eine Kollisionsvermeidung und freien Verkehrsfluss zu ermöglichen. Die Duplex-Funkverbindung kann außerdem lokale Positionsreferenzen, Straßendaten, Wetterbedingungen und andere Informationen empfangen, welche für den Betrieb des Fahrzeuges 2 wichtig sind, und zwar von einer zentralen Straßenzustandsdatenbank über entlang der Strecke installierte Antennen oder Mobilfunkstationen. Das Fahrzeug 2 kann außerdem Fahrzeugstatus- und Straßenzustandsaktualisierungen an die zentrale Straßenzustandsdatenbank über die Funkverbindung 52 bereitstellen, wodurch ermöglicht wird, dass die zentrale Straßenzustandsdatenbank über jedes mit Ladarsensoren und einer Funkverbindung ausgestattetes Fahrzeug erweitert wird. Eine Kollisionsprozessor- und Airbagsteuereinheit 44 verbindet sich ebenfalls bidirektional mit der CPU 48, wobei sie Eingaben von einer Anzahl von Beschleunigungsmessern, Bremssensoren, Raddrehsensoren, Ladarsensoren usw. empfängt. Die ACU 44 trifft Entscheidungen hinsichtlich des zeitlichen Verhaltens und des Auslösens von Airbags und anderen Rückhaltesystemen. Obwohl das System aus 3 als in das Fahrzeug 2, an dem das System normalerweise installiert ist, integriert dargestellt ist und welches in der Regel ein Automobil ist, sind das System und jede der beschriebenen Komponenten und Subsysteme für eine Installation in einer beliebigen Anzahl von sich bewegenden Fahrzeugen oder stationären Plattformen konstruiert.Each of the individual load sensors may include data processors to control the load on the load system controller 30 , the vehicle CPU 48 and the collision processor 44 to reduce; for example, to develop the point cloud and isolate / segment objects in the image field and the object velocity from the point cloud. Conventional 2D cameras 40 visible light or infrared light may be embedded in the ladar sensor subsystem, and may be part of a subassembly that includes a ladar sensor. A number (n) of additional 2D still or video cameras 56 for visible light can be directly with the vehicle collision processor 44 and can produce scene data that is complementary to the 3D data generated by the various on-vehicle charger sensors. The 2D still or video cameras 56 can also be operated either at wavelengths of visible light or infrared light. Bidirectional electrical connections 42 also serve 3D data cards, status and control signals between the loader controller 30 and the electric vehicle systems and the central processing unit (CPU) 48 transferred to. Inside the vehicle can be an electronic "brain" all the functions of the vehicle 2 and typically control all other subsystems and coprocessors. The electronic brain, or the central processing unit (CPU 48 ), is composed of the basic electrical systems of the vehicle, including battery, headlight, wiring harness, etc. The vehicle suspension system 46 receives control commands and sends back a status via bidirectional electrical connections, being able to independently modify the vehicle (ride) height, suspension rate and damping rate of each vehicle wheel. An inertial reference 50 also has a vertical reference or gravity sensor for input to the CPU 48 on. A GPS reference 54 can also work with the vehicle CPU 48 be connected. The GPS reference 54 may also include a database of all available roads and conditions in the area, which is periodically updatable via a wireless link. In addition, a duplex wireless connection 52 with the CPU 48 communicate directly with other vehicles in the immediate vicinity, communicating position, speed, direction and vehicle-specific information to enable collision avoidance and free flow of traffic. The duplex radio link may also receive local position references, road data, weather conditions, and other information necessary for the operation of the vehicle 2 important from a central road condition database over antennas or mobile stations installed along the route. The vehicle 2 may also provide vehicle status and road status updates to the central road condition database via the radio link 52 which allows the central road condition database to be extended via any vehicle equipped with load sensors and radio link. A collision processor and airbag control unit 44 also connects bidirectionally to the CPU 48 receiving inputs from a number of accelerometers, brake sensors, wheel sensors, load sensors, and so on. The ACU 44 Make decisions regarding the timing and deployment of airbags and other restraint systems. Although the system off 3 than in the vehicle 2 where the system is normally installed, integrated, and which is typically an automobile, the system and each of the components and subsystems described are designed for installation in any number of moving vehicles or stationary platforms.
4 ist ein Blockdiagramm eines Ladarsensors, welches sowohl langreichweitige Ladarsensoren 34 als auch kurzreichweitige Sensoren 32 beschreibt, die für die bevorzugte Ausführungsform typisch sind. Hauptsächliche hierbei beschriebene Verbesserungen umfassen das Hinzufügen eines Strahllenkungsmechanismusses 70, eines optischen Verstärkungsblocks 76, eines elektronischen Verstärkerarrays 80 und neuartige Detektor- und Fokalebenen-Array(FPA)-Packagingoptionen. Die erste Ausführungsform stellt ein 128×128 bzw. 128×64-Detektorarray 78 von lichtdetektierenden Elementen bereit, welches unter Verwendung eines Hybrid-Zusammensetzverfahrens auf einem integrierten Ausleseschaltkreis 82 gestapelt ist. In weiteren Ausführungsformen des Designs werden M×N-Fokalebenen-Arrays von lichtdetektierenden Elementen eingesetzt, wobei M und N Werte von 2 bis 1024 und mehr aufweisen. Die in 4 dargestellten funktionalen Elemente können zunächst mit Bezug auf die Elemente eines typischen langreichweitigen Ladarsensors 34 beschrieben werden. Ein Steuerprozessor 58 steuert die Funktionen der Hauptkomponenten des Ladarsensors 34. Der Steuerprozessor 58 verbindet den gepulsten Lasersender 68 über bidirektionale elektrische Verbindungen (mit Schnittstellenlogik, Analog-zu-Digital(A/D) und Digital-zu-Analog(D/A)-Wandlern 66), welche Befehle von dem Steuerprozessor 58 zu dem Pulslasersender 68 übertragen und Monitorsignale von dem Pulslasersender 68 zu dem Steuerprozessor 58 zurückgeben. Die Schnittstellenlogik, einschließlich Analog-zu-Digital(A/D) und Digital-zu-Analog(D/A)-Wandler 66, kann vollständig oder teilweise in einem integrierten Schaltkreis residieren. Ein lichtempfindlicher Diodendetektor (Flash-Detektor) 67 ist an der Rückseite des Lasers platziert, um so einen Teil des durch den Pulslasersender 68 produzierten Laserlichtpulses abzufangen. Ein optischer Testpuls des austretenden Laserpulses, der von einer optischen Abtasteinrichtung von der Vorderseite des gepulsten Lasersenders 68 aufgenommen wird, wird zu einer Ecke des Detektorarrays 78 als ein automatisches Abstandskorrektions(ARC)-Signal geroutet, typischerweise über ein Faseroptikkabel. Der Pulslasersender 68 kann ein Festkörperlaser, ein Monoblocklaser, ein Halbleiterlaser, ein Faserlaser oder ein Array aus Halbleiterlasern sein. Der Sender kann außerdem mehr als einen individuellen Laser einsetzen, um die Datenrate zu erhöhen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Pulslasersender 68 ein Array aus Vertikalkavität-Oberflächenemittern (VCSELs). In einer alternativen Ausführungsform ist der Pulslasersender 68 ein scheibenförmiger Festkörperlaser aus Erbium-dotiertem Phosphatglas, das mit 976 nm-Halbleiterlaserlicht gepumpt wird. 4 Figure 4 is a block diagram of a ladar sensor incorporating both long-range ladar sensors 34 as well as short-range sensors 32 which are typical of the preferred embodiment. Main improvements described herein include the addition of a beam steering mechanism 70 , an optical amplification block 76 , an electronic amplifier array 80 and novel detector and focal plane array (FPA) packaging options. The first embodiment provides 128x128 and 128x64 respectively detector array 78 of light-detecting elements using a hybrid assembly method on an integrated read-out circuit 82 is stacked. In further embodiments of the design, M x N focal plane arrays of light detecting elements are used, where M and N have values of 2 to 1024 and more. In the 4 The functional elements shown may first be described with reference to the elements of a typical long-range ladar sensor 34 to be discribed. A control processor 58 controls the functions of the main components of the ladar sensor 34 , The control processor 58 connects the pulsed laser transmitter 68 over bidirectional electrical connections (with interface logic, analog-to-digital (A / D), and digital-to-analog (D / A) converters 66 ), which commands from the control processor 58 to the pulse laser transmitter 68 transmit and monitor signals from the pulse laser transmitter 68 to the control processor 58 hand back. The interface logic, including analog-to-digital (A / D) and digital-to-analog (D / A) converters 66 , may reside completely or partially in an integrated circuit. A light-sensitive diode detector (flash detector) 67 is placed at the back of the laser, so as to be part of the pulse laser transmitter 68 to intercept produced laser light pulse. An optical test pulse of the exiting laser pulse emitted by an optical scanner from the front of the pulsed laser transmitter 68 is picked up, becomes a corner of the detector array 78 is routed as an Automatic Distance Correction (ARC) signal, typically via a fiber optic cable. The pulse laser transmitter 68 may be a solid state laser, a monoblock laser, a semiconductor laser, a fiber laser or an array of semiconductor lasers. The transmitter can also use more than one individual laser to increase the data rate. In a preferred embodiment, the pulse laser transmitter 68 an array of vertical cavity surface emitters (VCSELs). In an alternative embodiment, the pulse laser transmitter 68 a disc-shaped erbium-doped phosphate glass solid state laser pumped with 976 nm semiconductor laser light.
Im Betrieb initiiert der Steuerprozessor 58 einen Laserbeleuchtungspuls durch Aussenden eines Logikbefehls oder eines Modulationssignals zum Pulslasersender 68, der durch Aussenden eines intensiven Blitzes von Laserlicht durch den Strahllenkungsmechanismus 70 und die Übertragungsoptik 72 reagiert. Im Falle eines Q-geswitchten Festkörperlasers auf Basis von Erbiumglas, Neodym-YAG, oder einem anderen Festkörperverstärkungsmedium, kann ein einfacher Bi-Level-Logikbefehl die Pumplaserdioden starten, welche für eine Zeitdauer in das Verstärkungsmedium einstrahlen, was schließlich zu einem einzelnen „Flash” des Pulslasersenders 68 führt. In dem Fall eines Halbleiterlasers, der elektrisch gepumpt wird, und augenblicklich durch Modulation des in die Laserdiode injizierten Stromsignals moduliert werden kann, ist ein Modulationssignal von eher allgemeiner Natur möglich, und kann mit einem wesentlichen vorteilhaften Effekt verwendet werden. Das Modulationssignal kann ein Flat-topped-Rechteckpuls oder ein trapezförmiger Puls sein, oder ein gaußförmiger Puls oder eine Abfolge von Pulsen. Das Modulationssignal kann außerdem sein: sinusförmig, torgesteuert (gated) oder gepulst sinusförmig, gewobbelt sinusförmig, oder eine frequenzmodulierte Sinuswelle, oder eine amplitudenmodulierte Sinuswelle, oder eine pulsbreitenmodulierte Serie von Pulsen. Das Modulationssignal wird typischerweise in einem Speicher 64 als eine Lookup-Tabelle digitaler Speicherwörter gespeichert, welche repräsentativ für Analogwerte sind, wobei die Lookup-Tabelle sequentiell durch den Steuerprozessor 58 ausgelesen und durch einen Onboard-Digital-zu-Analog(D/A)-Wandler 66 in Analogwerte umgewandelt wird, und an den Treiberschaltkreis des Pulslasersenders 68 übergeben wird. Die Kombination aus einer in dem Speicher 64 gespeicherten Lookup-Tabelle und einem D/A-Wandler, zusammen mit den notwendigen Logikschaltkreisen, Taktgebern und Zeitgebern 62, welche in dem Steuerprozessor 58 resident sind, umfasst zusammen einen Arbiträr-Funktionsgenerator(AWG)-Schaltkreisblock. Der AWG-Schaltkreisblock kann alternativ in einen Lasertreiber als Teil des Pulslasersenders 68 eingebettet sein. Die Transmissionsoptik 72 zerstreut den durch den Pulslasersender 68 erzeugten hochintensiven Spot im Wesentlichen gleichförmig über dem gewünschten durch den Ladarsensor 34 abzubildenden Bildfeld. Ein optischer Teststrahl des ausgesandten Laserpulses (als ARC-Signal bezeichnet) wird außerdem zu dem Detektorarray 78 über eine optische Faser gesendet. Einige Pixel in einer Ecke des Detektorarrays 78 werden von dem ARC(automatische Abstandskorrektur)-Signal beleuchtet, was eine Zero-Time-Referenz für die Zeitschaltkreise in dem integrierten Ausleseschaltkreis (ROIC) 82 herstellt. Jede Einheitszelle des integrierten Ausleseschaltkreises 82 weist einen zugewiesenen Zeitschaltkreis auf, der durch einen aus dem ARC-Signal abgeleiteten elektrischen Puls zum Zählen gestartet wird. Alternativ kann das Flash-Detektor 67-Signal als eine Null-Referenz in einer zweiten Zeitbetriebsart verwendet werden. Obwohl das ARC-Signal einwandfrei einige der variablen Verzögerungen entfernt, welche mit der Transitzeit durch das Detektorarray 78 verbunden sind, sind zusätzliche Kosten und Komplexität das Ergebnis. Bei gegebenen digitalen Darstellungen der Bildframes kann die gleiche Aufgabe in Software/Firmware mit einem geeigneten eingebetteten Prozessor durchgeführt werden, wie zum Beispiel einem Datenreduktionsprozessor 86. Wenn ein Teil des übertragenen Laserpulses von einem Merkmal in der Szene im Bildfeld des Ladarsensor 34 reflektiert wird, dann kann er auf eine Empfangsoptik 74 treffen, welche typischerweise die Linse einer Frontscheinwerferanordnung und ein Array aus Mikrolinsen auf dem Detektorarray 78 umfasst. Alternative Ausführungsformen verwenden verstärkte Detektoren, welche nicht die Verwendung von Mikrolinsen erfordern. Weitere alternative Ausführungsformen der Empfangsoptik 74 verwenden Beugungsarrays, um das eintreffende Licht auf die individuellen Elemente des Detektorarrays 78 zu sammeln und zu bündeln. Gepulstes Laserlicht, das von einem Merkmal in der Szene in dem Bildfeld der Empfangsoptik 74 reflektiert wird, wird auf ein individuelles Detektorelement des Detektorarrays 78 fokussiert. Dieses optische Signal des reflektierten Laserlichts wird dann von dem betroffenen Detektorelement detektiert und in einen elektrischen Strompuls umgewandelt, welcher dann durch einen zugeordneten Pixelverstärkerschaltkreis eines optionalen Verstärkerarrays 80 und den elektrischen Einheitszellenschaltkreis des integrierten Ausleseschaltkreises 82 verstärkt wird, wobei die Laufzeit (time of flight) gemessen wird. Daher ist der Abstand zu jedem reflektiven Merkmal in der Szene in dem Bildfeld mit Hilfe des Ladarsensors 34 messbar. Das Detektorarray 78, das Verstärkerarray 80 und der integrierte Ausleseschaltkreis 82 können ein Array mit einer Größe von M×N oder N×M sein. Der Steuerprozessor 58 steuert den Strahllenkungsmechanismus 70 derart, um den Ausgabestrahl des Pulslasersenders 68 in einen ausgewählten Abschnitt der Szene in den nach vorne gerichteten Pfad des Fahrzeuges 2 abzulenken, wie es in 1 dargestellt ist.In operation, the control processor initiates 58 a laser illumination pulse by sending a logic command or a modulation signal to the pulse laser transmitter 68 by emitting an intense flash of laser light through the beam steering mechanism 70 and the transmission optics 72 responding. In the case of a Q-switched solid-state laser based on erbium glass, neodymium-YAG, or other solid-state gain medium, a simple bi-level logic command may start the pump laser diodes which radiate into the gain medium for a period of time, eventually becoming a single "flash". the pulse laser transmitter 68 leads. In the case of a semiconductor laser which is electrically pumped and can be instantaneously modulated by modulation of the current signal injected into the laser diode, a modulating signal of a more general nature is possible and can be used with a substantially advantageous effect. The modulation signal may be a flat-topped square pulse or a trapezoidal pulse, or a Gaussian pulse or a train of pulses. The modulation signal may also be: sinusoidal, gated or pulsed sinusoidal, wobbled sinusoidal, or a frequency modulated sine wave, or an amplitude modulated sine wave, or a pulse width modulated series of pulses. The modulation signal is typically stored in memory 64 stored as a lookup table of digital memory words representative of analog values, the lookup table being sequentially processed by the control processor 58 read out and through an onboard digital-to-analogue (D / A) converter 66 is converted to analog values, and to the driver circuit of the pulse laser transmitter 68 is handed over. The combination of one in the store 64 stored look-up table and a D / A converter, together with the necessary logic circuits, clocks and timers 62 which is in the control processor 58 resident, together comprise an Arbitrary Function Generator (AWG) circuit block. Alternatively, the AWG circuit block may be incorporated into a laser driver as part of the pulse laser transmitter 68 be embedded. The transmission optics 72 dissipates that by the pulse laser transmitter 68 produced high-intensity spot substantially uniformly over the desired by the Ladarsensor 34 image field to be imaged. An optical test beam of the emitted laser pulse (referred to as ARC signal) also becomes the detector array 78 sent over an optical fiber. Some pixels in a corner of the detector array 78 are illuminated by the ARC (Automatic Distance Correction) signal, providing a zero-time reference for the time circuits in the integrated read-out circuit (ROIC). 82 manufactures. Each unit cell of the integrated readout circuit 82 has an assigned timing circuit which is started by counting an electric pulse derived from the ARC signal. Alternatively, the flash detector 67 Signal can be used as a zero reference in a second time mode. Although the ARC signal perfectly removes some of the variable delays associated with the transit time through the detector array 78 additional costs and complexity are the result. Given digital representations of the image frames, the same task may be performed in software / firmware with a suitable embedded processor, such as a data reduction processor 86 , When a portion of the transmitted laser pulse from a feature in the scene in the image field of the ladar sensor 34 is reflected, then he can on a receiving optics 74 which typically is the lens of a headlamp assembly and an array of microlenses on the detector array 78 includes. Alternative embodiments use amplified detectors which do not require the use of microlenses. Further alternative embodiments of the receiving optics 74 Use diffraction arrays to match the incoming light to the individual elements of the detector array 78 to collect and bundle. Pulsed laser light emitted by a feature in the scene in the image field of the receiving optics 74 is reflected on an individual detector element of the detector array 78 focused. This optical signal of the reflected laser light is then detected by the detector element concerned and converted into an electrical current pulse, which is then passed through an associated pixel amplifier circuit of an optional amplifier array 80 and the unitary electrical circuit of the integrated readout circuit 82 is amplified, whereby the time of flight is measured. Therefore, the distance to each reflective feature in the scene in the image field is by means of the ladar sensor 34 measurable. The detector array 78 , the amplifier array 80 and the integrated readout circuit 82 may be an array of size MxN or NxM. The control processor 58 controls the beam steering mechanism 70 such as the output beam of the pulse laser transmitter 68 into a selected section of the scene in the forward path of the vehicle 2 to divert it as in 1 is shown.
Weiterhin mit Bezug auf 4 kann die Empfangsoptik 74 eine konvexe Linse, eine sphärische Linse, eine zylindrische Linse oder ein Beugungsgitterarray sein. Ein optionaler mechanischer Verschluss kann von dem Steuerprozess 58 verwendet werden, um das System zu kalibrieren bzw. das Detektorarray 78 zu schützen. Diese Funktion wird detailliert in Verbindung mit 9 beschrieben. Empfangsoptik 74 sammelt das von der Szene reflektierte Licht und fokussiert das gesammelte Licht auf das Detektorarray 78. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Detektorarray 78 in einem dünnen Film aus Galliumarsenid gebildet, das epitaktisch auf einem Indiumphosphid-Halbleitersubstrat abgeschieden ist. Typischerweise würde das Detektorarray 78 einen Satz von Kathodenkontakten aufweisen, welche dem Licht ausgesetzt sind, und einen Satz von Anodenkontakten, welche elektrisch mit dem unterstützenden Verstärkerarray 80 und dem integrierten Ausleseschaltkreis 82 durch eine Anzahl von auf dem Detektorarray 78 abgeschiedenen Indiumbumps verbunden sind. Die Kathodenkontakte der individuellen Detektoren des Detektorarrays 78 werden dann auf der beleuchteten Seite des Arrays mit einem Detektor-Biasspannung-Gitter verbunden. Jeder Anodenkontakt der Detektorelemente des Detektorarrays 78 ist daher unabhängig mit einem Eingang eines Pixelverstärkers eines optionalen Verstärkerarrays 80 verbunden, oder direkt mit einem elektronischen Einheitszellenschaltkreis des integrierten Ausleseschaltkreises 82. Diese herkömmliche Hybridanordnung des Detektorarrays 78 und des integrierten Ausleseschaltkreises 82 kann weiterhin verwendet werden, jedoch kann eine neue Technologie die Zwischen-Element-Kopplung, bzw. das Übersprechen, reduzieren, und auch einen Leck-(Dunkel-)Strom reduzieren und die Wirksamkeit der individuellen Detektorelemente des Detektorarrays 78 verbessern. Weitere Detektorarraystrukturen werden hierin aufgezeigt und in Verbindung mit 11, 15 und 16 beschrieben. Der integrierte Ausleseschaltkreis 82 umfasst ein rechtwinkeliges Array aus elektrischen Einheitszellenschaltkreisen. Jede Einheitszelle hat die Fähigkeit, einen Niedriglevel-Fotostrom zu verstärken, der von einem optoelektronischen Detektorelement des Detektorarrays 78 empfangen wurde, und die Verstärkerausgabe abzutasten. Typischerweise ist die Einheitszelle außerdem in der Lage, das Vorhandensein eines elektrischen Pulses in der Pixelverstärkerausgabe zu detektieren, welcher einem Lichtpuls zugeordnet ist, der von der Szene reflektiert und von dem Detektorelement des Detektorarrays 78 abgefangen worden ist. Das Detektorarray 78 kann ein Array aus Avalanche-Fotodioden sein, die zu einer Verstärkung von Fotoelektronen fähig sind, und kann durch ein eintreffendes Lichtsignal bei der gewünschten Wellenlänge moduliert werden.Further with reference to 4 can the receiving optics 74 a convex lens, a spherical lens, a cylindrical lens or a diffraction grating array. An optional mechanical shutter may be from the control process 58 used to calibrate the system or the detector array 78 to protect. This feature will be detailed in conjunction with 9 described. receiving optics 74 Collects the reflected light from the scene and focuses the collected light on the detector array 78 , In a preferred embodiment, the detector array is 78 formed in a thin film of gallium arsenide epitaxially deposited on an indium phosphide semiconductor substrate. Typically, the detector array would 78 a set of cathode contacts exposed to the light and a set of anode contacts electrically connected to the supporting amplifier array 80 and the integrated readout circuit 82 by a number of on the detector array 78 deposited indiumbumps are connected. The cathode contacts of the individual detectors of the detector array 78 are then connected on the illuminated side of the array to a detector bias voltage grid. Each anode contact of the detector elements of the detector array 78 is therefore independent with an input of a pixel amplifier of an optional amplifier array 80 connected, or directly with a electronic unit cell circuit of the integrated read-out circuit 82 , This conventional hybrid arrangement of the detector array 78 and the integrated readout circuit 82 may continue to be used, however, a new technology may reduce inter-element coupling, or crosstalk, and also reduce leakage (dark) current and the effectiveness of the individual detector elements of the detector array 78 improve. Other detector array structures are shown herein and in connection with 11 . 15 and 16 described. The integrated readout circuit 82 comprises a rectangular array of unit electrical cell circuits. Each unit cell has the ability to amplify a low-level photocurrent from an optoelectronic detector element of the detector array 78 was received, and to sample the amplifier output. Typically, the unit cell is also capable of detecting the presence of an electrical pulse in the pixel amplifier output associated with a light pulse reflected from the scene and from the detector element of the detector array 78 been intercepted. The detector array 78 may be an array of avalanche photodiodes capable of photoelectron amplification, and may be modulated by an incoming light signal at the desired wavelength.
Die Detektorarray 78-Elemente können außerdem P-intrinsisch-N(PIN)-Fotodioden oder N-intrinsisch-P(NIP)-Fotodioden sein, wobei der dominante Träger jeweils aus Löchern oder Elektronen besteht. Im Fall einer NIP-Detektorstruktur würde der entsprechende ROIC 82 die Polarität der Bias-Spannungen und Verstärkereingänge entsprechend eingestellt haben. Die Hybridanordnung des Detektorarrays 78 und des integrierten Ausleseschaltkreises 82 der bevorzugten Ausführungsform wird in 11 bis 17 gezeigt, wobei die Anordnung dann auf einer Unterstützungsschaltkreisanordnung befestigt wird, typischerweise auf einem FR-4-Substrat oder einem Keramiksubstrat. Die Schaltkreisanordnung stellt typischerweise eine Unterstützungsschaltung bereit, welche eine aufbereitete Spannung zuführt, ein Referenztaktsignal, Kalibrierkonstanten und Auswahleingänge für die Auslesespalte und -reihe, zusammen mit anderen Unterstützungsfunktionen, während Abstands- und Intensitäts-Ausgaben von dem integrierten Ausleseschaltkreis 82 für die individuellen Elemente des Detektorarrays 78 empfangen und registriert werden. Viele dieser Unterstützungsfunktionen können in RISC(Reduced Instruction Set Computer)-Prozessoren umgesetzt werden, welche auf dem gleichen Schaltkreissubstrat resident sind. Ein Detektorbias-Wandlerschaltkreis 96 wendet eine zeitlich variierende Detektorbias an dem Detektorarray 78 an, welcher optimale Detektorbiasniveaus bereitstellt, um die Gefahren von Sättigung im Nah-Bildfeld des Detektorarrays 78 zu reduzieren, während die Möglichkeit der Detektion von fernen Objekten im Bildfeld des Detektorarrays 78 maximiert wird. Die Einhüllende der zeitlich variierenden Detektorbias, welche vom Detektorbiaswandler 96 zugeführt wird, wird durch den Steuerprozessor 58 auf Grundlage eines Feedbacks von dem Datenreduktionsprozessor 86 beschrieben, wobei die Reflektivität und der Abstand von Objekten oder Punkten in der Szene in dem Bildfeld des Detektorarrays 78 angezeigt werden. Der Steuerprozessor 58 stellt außerdem mehrere Takt- und Zeitsignale von einem Zeitabstimmungskern 62 an den integrierten Ausleseschaltkreis 82, den Datenreduktionsprozessor 86, die Analog-zu-Digital-Wandler 84, den Objekt-Tracking-Prozessor 98 und an ihre zugewiesenen Speicher bereit. Der Steuerprozessor 58 benötigt eine temperaturstabilisierte bzw. temperaturkompensierte Frequenzreferenz 94, um eine Vielzahl von Takt- und Zeitsignalen zu erzeugen.The detector array 78 Elements can also be P-intrinsic N (PIN) photodiodes or N-intrinsic P (NIP) photodiodes, where the dominant carrier consists of holes or electrons. In the case of a NIP detector structure, the corresponding ROIC would 82 have set the polarity of the bias voltages and amplifier inputs accordingly. The hybrid arrangement of the detector array 78 and the integrated readout circuit 82 The preferred embodiment is shown in FIG 11 to 17 The assembly is then mounted on a support circuitry, typically on an FR-4 substrate or a ceramic substrate. The circuitry typically provides a support circuit that supplies a conditioned voltage, a reference clock signal, calibration constants, and select inputs and rows for the readout column and row, along with other support functions, during distance and intensity outputs from the integrated readout circuit 82 for the individual elements of the detector array 78 be received and registered. Many of these support functions can be implemented in Reduced Instruction Set Computer (RISC) processors resident on the same circuit substrate. A detector bias converter circuit 96 applies a time varying detector bias to the detector array 78 which provides optimal detector bias levels to eliminate the dangers of saturation in the near field of view of the detector array 78 to reduce, while the possibility of detecting distant objects in the image field of the detector array 78 is maximized. The envelope of the time varying detector bias generated by the detector bias converter 96 is supplied by the control processor 58 based on feedback from the data reduction processor 86 described, wherein the reflectivity and the distance of objects or points in the scene in the image field of the detector array 78 are displayed. The control processor 58 also provides multiple clock and timing signals from a timing core 62 to the integrated readout circuit 82 , the data reduction processor 86 , the analog-to-digital converter 84 , the object tracking processor 98 and ready for their allocated memory. The control processor 58 requires a temperature-stabilized or temperature-compensated frequency reference 94 to generate a variety of clock and time signals.
Eine temperaturstabilisierte Frequenzreferenz 94 kann ein temperaturkompensierter Kristalloszillator (TCXO), ein dielektrischer Resonatoroszillator (DRO), oder eine Oberflächenakustikwellen-Einrichtung (SAW) sein. Der Zeitabstimmungskern 62, der im Steuerprozessor 58 resident ist, kann einen Hochfrequenz-Abstimmoszillator, programmierbare Vorteiler-Teiler (Prescaler Deviders), Phasenvergleicher und Fehlerverstärker umfassen.A temperature-stabilized frequency reference 94 may be a temperature compensated crystal oscillator (TCXO), a dielectric resonator oscillator (DRO), or a surface acoustic wave device (SAW). The timing core 62 that in the control processor 58 resident, may include a high frequency tuning oscillator, programmable prescaler devers, phase comparators, and error amplifiers.
Weiterhin mit Bezug auf 4 weisen der Steuerprozessor 58, der Datenreduktionsprozessor 86 und der Objekt-Tracking-Prozessor 98 jeweils einen zugewiesenen Speicher zum Abspeichern von Programmen, Daten, Konstanten und den Ergebnissen aus den Operationen und Berechnungen auf. Diese Speicher, welchen jeweils ein Begleit-Digital-Prozessor zugeordnet ist, können ROM, EPROM oder einen anderen nicht-flüchtigen Speicher, wie zum Beispiel Flash, umfassen. Sie können außerdem einen flüchtigen Speicher umfassen, wie zum Beispiel SPAN oder DRAN, wobei sowohl der flüchtige als auch der nicht-flüchtige Speicher in jeden der entsprechenden Prozessoren integriert sein können. Ein gemeinsamer Frame-Speicher 88 dient dazu, eine Anzahl von Frames zu halten, wobei jeder Frame das aus einem einzelnen Laserpuls resultierende Bild ist. Sowohl der Datenreduktionsprozessor 86 als auch der Objekt-Tracking-Prozessor 98 können 3D-Bildbearbeitung ausführen, um die Last auf einer Szene-Bearbeitungseinheit zu reduzieren, welche normalerweise einem Higher-Level-Prozessor zugeordnet ist, beispielsweise der Ladarsystemsteuerung 30. Es gibt zwei Betriebsarten der Datenkollektion, wobei die erste SULAR ist, oder ein progressiver Tiefenscan. Jeder Laserpuls resultiert typischerweise in zwanzig Daten-„Scheiben”, ähnlich einem CAT-Scan, wobei jede „Scheibe” als eine einzelne Seite in dem gemeinsamen Frame-Speicher 88 abgespeichert werden kann. Bei jeder Pixel-Abtastung in einem zwei Nanosekunden-Intervall sind die „Scheiben” jeweils eine Schicht des Bildraumes mit etwa 30 cm-Abständen in der Tiefe. Die 20 Scheiben repräsentieren einen Datenrahmen, wobei die Abtastung für einen nachfolgenden Laserpuls bei 6 m weiter in der Tiefe gestartet werden kann, so dass der gesamte Bildraum von bis zu 300 m Abstand bzw. in der Tiefe in einer Abfolge von 50 Laserbeleuchtungspulsen gesweept werden kann, wobei jede Laserpuls-Antwort aus 20 „Scheiben” von Daten besteht, die in einem einzelnen Frameeintrag gehalten werden. In einigen Fällen kann der Frame-Speicher groß genug sein, um alle 50 Datenframes zu halten. Die Anzahl der gespeicherten Scheiben könnte ausreichend sein, um jeden beliebigen relevanten Abstand abzubilden, wobei keine Trigger-Mode-Operation erforderlich ist. Die Reduktion der Daten kann dann in einem externen Computer stattfinden, wie in dem Fall, wo Daten zum Abbilden einer Unterwasseroberfläche, oder eines Waldes mit Baumbedeckung, oder irgendeiner statischen Landschaft genommen wurden, wo intelligente Nachbearbeitungstechniken mit Software eine bessere Genauigkeit oder Auflösung ergeben können. Eine zweite Datenerfassungsbetriebsart ist die TRIGGER-Betriebsart, wo die individuellen Pixel jeweils nach einer Pulsantwort suchen, wobei bei Erreichen eines bestimmten Pulsschwellenwertkriterium die 20 analogen Abtastungen, welche die Puls-Ankunftszeit umgeben, in den Pixel-Analog-Speichern gehalten werden, wobei ein laufender Digitalzähler mit einer nominalen Abstandsmessung „eingefroren” wird. Die 20 Analog-Abtastungen werden von jedem Pixel über die „A”- und „B”-Ausgänge des integrierten Ausleseschaltkreises 82 ausgegeben, welche die verschachtelten Reihen- oder Spalten-Werte der 128×128 Pixel des vorliegenden Designs repräsentieren. Die „A”- und „B”-Ausgänge sind Analogausgänge, wobei die dort präsentierten Analog-Abtastungen mit Hilfe des Zweikanal-Analog-zu-Digital(A/D)-Wandlers 84 in Digitalwerte umgewandelt werden. „Verschachtelung der Ausgänge” bedeutet, dass einer der Ausgänge („A”) die ungeradzahligen Zeilen des Auslese-IC 82 ausliest, wobei der andere Ausgang („B”) die geradzahligen Zeilen des Auslese-IC 82 ausliest. Größere Detektorarrays 78 und Auslese-ICs 82 können mehr als zwei Analogausgänge aufweisen. Die Digitalausgänge der A/D-Wandler 84 sind mit den Eingängen des Datenreduktionsprozessors 86 verbunden. Die A/D-Wandler 84 können außerdem in dem integrierten Ausleseschaltkreis 82 integriert sein. Die Digitalausgänge sind typischerweise 10- oder 12-Bit-Digitaldarstellungen der unkorrigierten Analog-Abtastungen, welche an jedem Pixel des Auslese-IC 82 gemessen wurden, wobei jedoch andere Darstellungen mit mehr oder weniger Bits verwendet werden können, und zwar in Abhängigkeit von der Anwendung. Die Rate der Digitalausgänge hängt von der Framerate und der Anzahl der Pixel in dem Array ab. In der TRIGGER-Betriebsart wurde ein Großteil der Datenreduktion bereits vorgenommen, da der gesamte Abstands- oder Tiefen-Raum in dem Zeitrahmen eines einzelnen Laserpulses gesweept werden kann, wobei der Datenreduktionsprozessor 86 lediglich auf den 20 Analog-Abtastungen operieren würde, welche in jeder Einheitszelle gespeichert sind, um die nominale Abstandsmessung zu verbessern, welche von jedem Pixel (Einheitszelle) des Arrays empfangen wurde. Der Datenreduktionsprozessor 86 bereitet die von jedem Pixel empfangenen nominalen Abstandsmessungen auf, indem die Analog-Abtastungen an die Form des ausgehenden Laserbeleuchtungspulses kurvenangepasst werden, der durch das Referenz-ARC-Pulssignal beibehalten wird. Diese Pulse sind typischerweise gaußförmig, können jedoch quadratisch, trapezförmig, halbsinusförmig, kardinalsinusförmig usw. sein, wobei die Anpassungsalgorithmen Fourier-Analyse, Least-Squares-Analyse oder eine polynomische, exponentielle usw. Anpassung verwenden können. Die Abstandsmessungen können außerdem durch eine Kurvenanpassung an eine wohlbekannte charakteristische Referenzpulsform aufbereitet werden. In der TRIGGER-Erfassungsbetriebsart muss der Framespeicher 88 lediglich ein „Punktwolken”-Bild für jeden Beleuchtungslaserpuls halten. Der Begriff „Punktwolke” bezieht sich auf ein Bild, das durch den Abstand und die Intensität des reflektierten Lichtpulses erzeugt wurde, wie dieser durch jeden Pixel des 128×128-Arrays des vorliegenden Designs detektiert worden ist. In der TRIGGER-Betriebsart dient der Datenreduktionsprozessor 86 in den meisten Fällen dazu, die Abstands- und Intensitäts(R&I)-Messungen aufzubereiten, welche von jedem Pixel gemacht wurden, bevor die R&I-Daten über den Datenbus 87 an den Framespeicher 88 übergeben wurden, wobei keine „Scheiben”-Daten oder Analog-Abtastungen in dem Speicher gehalten werden, und zwar unabhängig von den R&I-„Punktwolken”-Daten in dieser Erfassungsbetriebsart. Der Framespeicher 88 stellt individuelle oder mehrfache Frames bzw. Voll-Punktwolken-Bilder über den Datenbus 90 für den Steuerprozessor 58 bereit, und nach Bedarf über den Datenbus 89 für einen optionalen Objekt-Tracking-Prozessor 98.Further with reference to 4 assign the control processor 58 , the data reduction processor 86 and the object tracking processor 98 each one allocated memory for storing programs, data, constants and the results from the operations and calculations. These memories, each associated with a companion digital processor, may include ROM, EPROM or other non-volatile memory such as Flash. They may also include a volatile memory, such as SPAN or DRAN, where both the volatile and non-volatile memory may be integrated with each of the respective processors. A common frame memory 88 serves to hold a number of frames, each frame being the image resulting from a single laser pulse. Both the data reduction processor 86 as well as the object tracking processor 98 may perform 3D image processing to reduce the load on a scene processing unit normally associated with a higher level processor, such as the ladder system controller 30 , There are two modes of data collection, the first being SULAR, or a progressive depth scan. Each laser pulse typically results in twenty data "slices", similar to a CAT scan, with each "slice" as a single page in the common frame memory 88 can be stored. For each pixel scan in a two nanosecond interval, the "slices" are each one layer of image space about 30 cm apart in depth. The 20 slices represent a data frame, where the scan for a subsequent laser pulse at 6 m further in depth can be started, so that the entire image space of up to 300 m distance or in depth in a sequence of 50 laser illumination pulses can be swept Each laser pulse response consists of 20 "slices" of data held in a single frame entry. In some cases, the frame memory may be large enough to hold all 50 data frames. The number of slices stored could be sufficient to map any relevant distance, with no trigger mode operation required. The reduction of the data may then take place in an external computer, as in the case where data has been taken to image an underwater surface, or a tree-covered forest, or any static landscape where intelligent post-processing techniques with software can give better accuracy or resolution. A second data acquisition mode is the TRIGGER mode, where the individual pixels are each seeking a pulse response, and upon reaching a particular pulse threshold criterion, the 20 analog samples surrounding the pulse arrival time are held in the pixel analog memories, with a current one Digital counter is "frozen" with a nominal distance measurement. The 20 analog samples are taken from each pixel through the "A" and "B" outputs of the integrated readout circuit 82 which represent the interleaved row or column values of the 128x128 pixels of the present design. The "A" and "B" outputs are analog outputs, with the analog samples presented there using the two-channel analog-to-digital (A / D) converter 84 be converted into digital values. "Nesting of the outputs" means that one of the outputs ("A") is the odd-numbered lines of the read-out IC 82 The other output ("B") is the even-numbered lines of the read-out IC 82 reads. Larger detector arrays 78 and readout ICs 82 can have more than two analog outputs. The digital outputs of the A / D converters 84 are connected to the inputs of the data reduction processor 86 connected. The A / D converter 84 can also be in the integrated readout circuit 82 be integrated. The digital outputs are typically 10- or 12-bit digital representations of the uncorrected analog samples present at each pixel of the readout IC 82 however, other representations with more or less bits may be used, depending on the application. The rate of the digital outputs depends on the frame rate and the number of pixels in the array. In TRIGGER mode, much of the data reduction has already been done, because the entire distance or depth space can be swept in the time frame of a single laser pulse, the data reduction processor 86 would only operate on the 20 analog samples stored in each unit cell to improve the nominal distance measurement received from each pixel (unit cell) of the array. The data reduction processor 86 prepares the nominal pitch measurements received by each pixel by curve fitting the analog samples to the shape of the outgoing laser strobe pulse retained by the reference ARC pulse signal. These pulses are typically Gaussian, but may be square, trapezoidal, semi-sinusoidal, cardinal sinusoidal, etc., where the fitting algorithms may use Fourier analysis, least squares analysis, or polynomial, exponential, etc. fitting. The distance measurements may also be conditioned by a curve fit to a well-known characteristic reference pulse shape. In TRIGGER acquisition mode, the frame store must be 88 just hold a "point cloud" image for each illumination laser pulse. The term "point cloud" refers to an image created by the distance and intensity of the reflected light pulse as detected by each pixel of the 128x128 array of the present design. In TRIGGER mode, the data reduction processor is used 86 in most cases, to prepare the distance and intensity (R & I) measurements made by each pixel before the R & I data over the data bus 87 to the frame memory 88 with no "slices" data or analog samples kept in the memory, regardless of the R & I "point cloud" data in this sense mode. The frame memory 88 sets individual or multiple frames or full-point cloud images over the data bus 90 for the control processor 58 ready, and as needed via the data bus 89 for an optional object tracking processor 98 ,
Wie ebenfalls in 4 gezeigt ist, können der Datenreduktionsprozessor 86 und der Steuerprozessor 58 vom gleichen Typ sein, ein reduzierter-Befehlssatz-(RISC)-Digitalprozessor mit Hardwareimplementation von Ganzzahl- und Fließpunkt-Arithmetikeinheiten. Der Objekt-Tracking-Prozessor 98 kann ebenfalls vom gleichen Typ wie die RISC-Prozessoren 86 und 58 sein, kann aber in einigen Fällen ein Prozessor mit größerer Leistung sein, welche für hochkomplexe Graphikbearbeitung geeignet ist. Der Objekt-Tracking-Prozessor 98 kann zusätzlich zu den Hardware-implementierten Ganzzahl- und Fließpunkt-Arithmetikeinheiten eine Anzahl von Hardware-implementierten Matrix-Arithmetikfunktionen aufweisen, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf: Matrix-Determinante, Matrix-Multiplikation und Matrix-Inversion. Im Betrieb steuert der Steuerprozessor 58 das Verstärkerarray 80, den integrierten Ausleseschaltkreis 82, die A/D-Wandler 84, den Framespeicher 88, den Datenreduktionsprozessor 86 und den Objekt-Tracking-Prozessor 98 über einen bidirektionalen Steuerbus 92, welcher dem Haupt-Steuerprozessor 58 ermöglicht, Befehle auf einer Prioritätsbasis an die abhängigen Peripherfunktionen zu übergeben: Verstärkerarray 80, Auslese-IC 82, A/D-Wandler 84, Framespeicher 88, Datenreduktionsprozessor 86 und Objekt-Tracking-Prozessor 98. Der bidirektionale Steuerbus 92 dient außerdem dazu, Status- und Prozessparameter-Daten an den Steuerprozessor 58 zurückzugeben, und zwar von dem Verstärkerarray 80, dem Auslese-IC 82, den A/D-Wandlern 84, dem Framespeicher 88, dem Datenreduktionsprozessor 86 und dem Objekt-Tracking-Prozessor 98. Der Datenreduktionsprozessor 86 bereitet die nominalen Abstandsdaten auf und passt alle Pixel-Intensitäts-Daten an, welche aus den digitalisierten Analog-Abtastungen entwickelt wurden, welche von den A/D-Wandlern 84 empfangen wurden, und gibt über einen unidirektionalen Datenbus 87 einen Vollbild-Frame an den Framespeicher 88 aus, welcher ein Dualport-Speicher ist, der die Kapazität hat, in Abhängigkeit von der Anwendung mehrere tausend Frames zu halten. Der Objekt-Tracking-Prozessor 98 weist einen internen Speicher mit ausreichend Kapazität auf, um mehrere Bilddatenframes zu halten, was Multiframe-Synthese-Prozesse ermöglicht, einschließlich Videokompression, Singleframe oder Multiframe-Auflösungserweiterung, Statistikbearbeitung und Objektidentifikation und -Tracking. Die Ausgaben des Objekt-Tracking-Prozessors 98 werden über den unidirektionalen Datenbus 99 an einen Kommunikationsanschluss (Comm port) 60 übertragen, der in dem Steuerprozessor 58 resident sein kann. Alle Scheibendaten, Abstands- und Intensitätsdaten, Steuerung sowie Kommunikationen laufen dann zwischen dem Kommunikationsanschluss 60 und einer zentralisierten Ladarsystemsteuerung 30, und zwar über bidirektionale Verbindungen 26 (3). Spannungs- und Masseverbindungen (nicht dargestellt) können über eine elektromechanische Schnittstelle zugeführt werden. Die bidirektionalen Verbindungen 26 können elektrische oder optische Übertragungsleitungen sein, wobei die elektromechanische Schnittstelle ein DB-25-Elektrikverbinder sein kann, oder ein optischer und elektrischer Hybridverbinder, oder ein spezieller Fahrzeugverbinder, der dazu ausgebildet ist, Signale für den Ladarsensor 34 bidirektional zu übertragen. Die bidirektionalen Verbindungen 26 würden außerdem mit der Ladarsystemsteuerung 30 verbunden sein, und zwar in dem Fall einer Hilfs-Leuchtenanordnung, welche darin einen kurzreichweitigen Ladarsensor 32 eingebettet haben kann. Die bidirektionalen Verbindungen 26 können serielle Highspeed-Verbindungen sein, wie zum Beispiel Ethernet, Universal Serial Bus (USB) oder Glasfaser, oder können auch parallele Highspeed-Verbindungen sein, wie zum Beispiel InfiniBand usw., oder können eine Kombination aus seriellen und parallelen Highspeed-Verbindungen sein, ohne hierauf beschränkt zu sein. Die bidirektionalen Verbindungen 26 dienen außerdem dazu, Information zum Steuerprozessor 58 hochzuladen, einschließlich Programmaktualisierungen für den Datenreduktionsprozessor 86, den Objekt-Tracking-Prozessor 98, und GPS-Referenzdaten als auch anwendungsspezifische Steuerparameter für die übrigen Funktionsblöcke des Ladarsensors 34 hochzuladen. Die Inertial- und Vertikal-Referenz 50 (siehe 3) stellt außerdem Daten für die kurzreichweitigen Ladarsensoren 32 und für die langreichweitigen Ladarsensoren 34 von dem Host-Fahrzeug 2 über die elektrischen Fahrzeugsysteme und die CPU 48 und die Ladarsystemsteuerung 30 nach Bedarf bereit. Ebenso können alle anderen Daten von dem Host-Fahrzeug 2, welche für den Ladarsensor 34 nützlich sein können, auf die gleiche Art und Weise wie die Inertial- und Vertikalreferenzdaten bereitgestellt werden. Die Inertial- und Vertikalreferenzdaten können zusätzlich zu den externen Positionen und Referenzen von dem Steuerprozessor 58 verwendet werden, welche Positions- und Inertialreferenzdaten an den Datenreduktionsprozessor 86 für eine Anpassung der Abstands- und Intensitätsdaten übertragen können, und an den Objekt-Tracking-Prozessor 98 für eine Verwendung bei Multiframe-Datensyntheseprozessen. Die Vertikalreferenz stellt im Allgemeinen eine Messung hinsichtlich Beschleunigung und Neigung bereit, und ist dazu ausgebildet, einen Höhenwinkel auszulesen, und einen Drallwinkel (analog zu Neigung) mit Bezug zu einer horizontalen Ebenenoberfläche normal zur Schwerkraft. Die kurzreichweitigen Ladarsensoren 32 verwenden typischerweise einen Halbleiterlaser, welcher auf mehrere unterschiedliche Arten moduliert werden kann. Die langreichweitigen Ladarsensoren 34 verwenden typischerweise einen q-geswitchten Festkörperlaser, welcher einen einzelnen Ausgabepuls mit einem Gauss-Profil erzeugt. Die Pulsform eines Festkörperlasers dieses Typs ist nicht einfach modulierbar, und muss deshalb als „wie ist” von dem Empfängerabschnitt eines langreichweitigen Ladarsensors 34 behandelt werden. Die Funktionen der kurzreichweitigen Ladarsensoren 32 des Typs, wie sie typischerweise in einer Hilfs-Leuchtenanordnung eingebettet ist, wie zum Beispiel ein Rücklicht, ein Blinker, oder ein Parklicht, sind mit einigen Ausnahmen die gleichen wie die Funktionen der langreichweitigen Ladarsensoren. Die langreichweitigen Ladarsensoren 34 und die kurzreichweitigen Ladarsensoren 32 können sich lediglich in der Art des verwendeten Lasers und der Art der Lasermodulation unterscheiden. Die Übertragungsoptik 72 und die Empfangsoptik 74 können sich ebenfalls unterscheiden, und zwar hinsichtlich des engeren Bildfelds bei den langreichweitigen Ladarsensoren 34. Unterschiede hinsichtlich der übertragenen Laserpulsmodulation zwischen den langreichweitigen Ladarsensoren 34 und den kurzreichweitigen Ladarsensoren 32 können durch die flexible Natur der Auslese-IC 82-Abtastmodi ausgeglichen werden, und die Programmierbarkeit des Datenreduktionsprozessors 86. Das Host-Fahrzeug 2 kann eine Anzahl von Verbinderaufnahmen aufweisen, welche üblicherweise für weibliche Verbinderstecker für USB, Ethernet, RJ-45 oder eine andere Schnittstellenverbindung verfügbar sind, und welche alternativ verwendet werden können, um langreichweitige Ladarsensoren 34 oder kurzreichweitige Ladarsensoren 32 des hierin beschriebenen Typs anzubringen.Like also in 4 can be shown, the data reduction processor 86 and the control processor 58 of the same type, a reduced instruction set (RISC) digital processor with hardware implementation of integer and floating-point arithmetic units. The object tracking processor 98 can also be of the same type as the RISC processors 86 and 58 but in some cases may be a higher performance processor suitable for highly complex graphics processing. The object tracking processor 98 In addition to the hardware implemented integer and floating point arithmetic units, it may include a number of hardware implemented matrix arithmetic functions, including, but not limited to, matrix determinant, matrix multiplication, and matrix inversion. In operation, the control processor controls 58 the amplifier array 80 , the integrated readout circuit 82 , the A / D converter 84 , the frame memory 88 , the data reduction processor 86 and the object tracking processor 98 via a bidirectional control bus 92 which is the main control processor 58 allows to pass commands on a priority basis to the dependent peripheral functions: amplifier array 80 , Readout IC 82 , A / D converter 84 , Frame memory 88 , Data reduction processor 86 and object tracking processor 98 , The bidirectional control bus 92 It also provides status and process parameter data to the control processor 58 from the amplifier array 80 , the Elite IC 82 , the A / D converters 84 , the frame store 88 , the data reduction processor 86 and the object tracking processor 98 , The data reduction processor 86 prepares the nominal distance data and adjusts all the pixel intensity data developed from the digitized analog samples produced by the A / D converters 84 received, and gives via a unidirectional data bus 87 a frame frame to the frame memory 88 which is a dual-port memory that has the capacity to hold several thousand frames depending on the application. The object tracking processor 98 has an internal memory of sufficient capacity to hold multiple image data frames, allowing for multiframe synthesis processes, including video compression, single-frame or multi-frame resolution expansion, statistics processing, and object identification and tracking. The outputs of the object tracking processor 98 be over the unidirectional data bus 99 to a communication port (comm port) 60 transferred in the control processor 58 can be resident. All disk data, distance and intensity data, control and communications then pass between the communication port 60 and a centralized ladder system controller 30 , over bidirectional connections 26 ( 3 ). Voltage and ground connections (not shown) can be supplied via an electromechanical interface. The bidirectional connections 26 may be electrical or optical transmission lines, wherein the electromechanical interface may be a DB-25 electrical connector, or a hybrid optical and electrical connector, or a special vehicle connector configured to receive signals for the ladar sensor 34 bidirectional transfer. The bidirectional connections 26 would also work with the ladder system controller 30 be connected, in the case of an auxiliary light assembly, which therein a short-range Ladarsensor 32 can have embedded. The bidirectional connections 26 can be serial High-speed connections such as Ethernet, Universal Serial Bus (USB) or fiber optic, or can also be parallel high-speed links, such as InfiniBand, etc., or can be a combination of serial and parallel high-speed links, without them to be limited. The bidirectional connections 26 also serve to provide information to the control processor 58 including program updates to the data reduction processor 86 , the object tracking processor 98 , and GPS reference data as well as application specific control parameters for the other functional blocks of the ladar sensor 34 upload. The inertial and vertical reference 50 (please refer 3 ) also provides data for the short-range charge sensors 32 and for the long-range ladar sensors 34 from the host vehicle 2 about the electric vehicle systems and the CPU 48 and the ladder system controller 30 ready as needed. Likewise, all other data can be from the host vehicle 2 , which for the Ladarsensor 34 may be useful in the same way as the inertial and vertical reference data are provided. The inertial and vertical reference data may be in addition to the external positions and references from the control processor 58 which position and inertial reference data are used to the data reduction processor 86 for adaptation of the distance and intensity data, and to the object tracking processor 98 for use in multiframe data synthesis processes. The vertical reference generally provides a measure of acceleration and tilt, and is configured to read an elevation angle and a spin angle (analogous to pitch) with respect to a horizontal plane surface normal to gravity. The short-range charge sensors 32 typically use a semiconductor laser, which can be modulated in several different ways. The long-range ladar sensors 34 typically use a q-switched solid state laser which produces a single output pulse with a Gaussian profile. The pulse shape of a solid-state laser of this type is not easily modulated, and therefore must be considered "as is" by the receiver section of a long-range ladar sensor 34 be treated. The functions of short-range charge sensors 32 of the type typically embedded in an auxiliary light assembly, such as a taillight, turn signal, or parking light, are the same as the functions of the long-range ladar sensors, with some exceptions. The long-range ladar sensors 34 and the short-range charge sensors 32 can differ only in the type of laser used and the type of laser modulation. The transmission optics 72 and the receiving optics 74 may also differ, in terms of the narrower field of view in the long-range ladar sensors 34 , Differences in transmitted laser pulse modulation between long-range ladar sensors 34 and the short-range ladar sensors 32 can by the flexible nature of the readout IC 82 Sampling modes, and the programmability of the data reduction processor 86 , The host vehicle 2 may include a number of connector receptacles, which are commonly available for female connector plugs for USB, Ethernet, RJ-45, or other interface connection, and which may alternatively be used to provide long-range load sensors 34 or short-range charge sensors 32 of the type described herein.
Weiterhin mit Bezug auf 4 ist es sinnvoll, eine Variante eines kurzreichweitigen Ladarsensors 32 zu diskutieren. Bei einem kurzreichweitigen Ladarsensor 32 ist in beträchtlichem Maße weniger Übertragungsleistung erforderlich, was die Verwendung eines Halbleiterlasers und Multipuls-Modulationen ermöglicht. Ein Beispiel eines Halbleiterlasers ist der Vertikalkavität-Oberflächenemitter-Laser (VCSEL), der in einer bevorzugten Ausführungsform verwendet wird, da er eine Anzahl von vorteilhaften Eigenschaften aufweist. Ein VCSEL hat typischerweise ein kreisrundes Strahlprofil, und weist an der Öffnung geringere Spitzenleistungsdichten auf. VCSELs erfordern außerdem weniger sekundäre mechanische Operationen, wie zum Beispiel Spalten, Polieren, und können relativ einfach zu Arrays gebildet werden. Die Verwendung eines Halbleiterlasers ermöglicht die maßgeschneiderte Erzeugung eines Antriebsstrompulses, um so eine Gauss-förmige optische Pulsform mit lediglich geringen Abweichungen zu produzieren. Die VCSEL-Antwortzeit liegt im Subnanosekundenbereich, und die typische optische Pulsbreite kann 5 bis 100 ns bei halber Leistung betragen. In der Darstellung der 4 würden der VCSEL und der Lasertreiber Teil des Pulslasersenders 68 sein, wobei die gewünschte Puls- bzw. Wellenform selber mit Hilfe eines Digital-zu-Analog-Wandlers 66 erzeugt wird, welcher eine typischer Konversionsrate von 200 bis 300 MHz aufweist, so dass alle Abweichungen in der Ausgabepulsform vom Gauss-förmigen Ideal in der Lookup-Tabelle im Speicher 64 kompensiert werden können, welcher dem Steuerprozessor 58 zugeordnet ist, welcher als die digitale Referenz für die Antriebsstromwellenform dient, welche dem Lasertreiber innerhalb des Pulslasersenders 68 durch den D/A-Wandler zugeführt wird. Ein Gauss-förmiges Einzelpuls-Modulationsschema funktioniert gut bei kurzen Abständen, und zwar bei der gegebenen begrenzten optischen Leistung, welche von einem VCSEL verfügbar ist. Eine Erweiterung des Bereiches eines VCSEL-Senders kann unter Verwendung intelligenterer Modulationsschemata erreicht werden, wie zum Beispiel Multipuls-Sequenzen, Sinuswellen-Bursts usw. Der VCSEL und die Modulationsschemata, wie sie hierin mit Bezug auf den kurzreichweitigen Ladarsensor 32 beschrieben werden, sind eine Alternative zu dem Festkörperlaser, der typischerweise in einem Pulslasersender 68 eines langreichweitigen Ladarsensors 34 verwendet wird. Die Verwendung eines VCSEL-Arrays in einem Pulslasersender 68 hat das Potential, Kosten, Abmessungen, Energieverbrauch zu reduzieren und/oder die Zuverlässigkeit zu verbessern. Ladarsensoren können an vielen Stellen am Fahrzeug 2 angebracht werden: Frontscheinwerfer, Hilfsleuchten, Türbleche, Rückspiegel, Stoßstangen usw. Bei Ausstattung mit einem empfindlicheren Detektorarray 78, wie zum Beispiel einem Image-Tube-FPA, kann ein Ladarsensor des hierin beschriebenen Typs ein VCSEL-Array als eine Beleuchtungsquelle verwenden, wobei viel größere Abstände unterstützt werden können. Bei Bezug auf die Hauptfunktionen des Ladarsensors aus 4 ist es manchmal praktisch, auf den „optischen Transmitter” als diejenigen Funktionen zu verweisen, welche den Lichtburst zum Beleuchten der Szene in dem Bildfeld unterstützen und/oder erzeugen. Diese Elemente wären typischerweise der Steuerprozessor 58, welcher den Prozess startet, der Pulslasersender 68, der Strahllenkungsmechanismus 70 und die Übertragungsoptik 72. Der Begriff „optischer Empfänger” kann verwendet werden, um auf diejenigen Elemente zu verweisen, welche zum Sammeln des von der Szene in dem Bildfeld reflektierten Lichtes notwendig sind, zum Filtern des empfangenen Lichtes, zum Umwandeln des empfangenen Lichtes in eine Mehrzahl von gepixelten elektrischen Signalen, zum Verstärken dieser gepixelten elektrischen Signale, zum Detektieren der Pulse bzw. ihrer Modulation, zum Ausführen der Abstandsmessungen und zum Aufarbeiten oder Reduzieren der empfangenen Daten. Diese Funktionen würden die Empfangsoptik 74, den optischen Verstärkungsblock 76, das Detektorarray 78, das Verstärkerarray 80, den Auslese-IC 82, die A/D-Wandler 84 und den Datenreduktionsprozessor 86 umfassen.Further with reference to 4 it makes sense, a variant of a short-range Ladarsensors 32 to discuss. For a short-range ladar sensor 32 Significantly less transmission power is required, allowing for the use of a semiconductor laser and multipulse modulations. An example of a semiconductor laser is the Vertical Cavity Surface Emitter Laser (VCSEL), which is used in a preferred embodiment because it has a number of advantageous properties. A VCSEL typically has a circular beam profile and has lower peak power densities at the aperture. VCSELs also require less secondary mechanical operations, such as splitting, polishing, and can be relatively easily formed into arrays. The use of a semiconductor laser enables tailor-made generation of a driving current pulse so as to produce a Gaussian optical pulse shape with only slight deviations. The VCSEL response time is in the sub-nanosecond range, and the typical optical pulse width can be 5 to 100 ns at half power. In the presentation of the 4 Both the VCSEL and the laser driver would be part of the pulse laser transmitter 68 be, with the desired pulse or waveform itself using a digital-to-analog converter 66 which has a typical conversion rate of 200 to 300 MHz, so that all deviations in the output pulse shape from the Gaussian ideal in the lookup table in memory 64 can be compensated, which the control processor 58 which serves as the digital reference for the drive current waveform representing the laser driver within the pulse laser transmitter 68 is supplied through the D / A converter. A Gaussian single-pulse modulation scheme works well at short distances, given the limited optical power available from a VCSEL. Extending the range of a VCSEL transmitter may be accomplished using more intelligent modulation schemes, such as multipulse sequences, sine wave bursts, etc. The VCSEL and modulation schemes as described herein with respect to the short-range ladar sensor 32 are an alternative to the Solid state laser, typically in a pulse laser transmitter 68 a long-range ladar sensor 34 is used. The use of a VCSEL array in a pulse laser transmitter 68 has the potential to reduce costs, dimensions, energy consumption and / or improve reliability. Ladar sensors can be found in many places on the vehicle 2 Front headlamps, auxiliary lights, door panels, rearview mirrors, bumpers, etc. Are equipped with a more sensitive detector array 78 For example, as with an image tube FPA, a ladar sensor of the type described herein may use a VCSEL array as a source of illumination, with much greater distances to support. When referring to the main functions of the ladar sensor 4 For example, it is sometimes convenient to refer to the "optical transmitter" as those functions that support and / or create the light burst for illuminating the scene in the image field. These elements would typically be the control processor 58 , which starts the process, the pulse laser transmitter 68 , the beam steering mechanism 70 and the transmission optics 72 , The term "optical receiver" may be used to refer to those elements necessary to collect the light reflected from the scene in the field, to filter the received light, to convert the received light into a plurality of pixellated electrical signals to amplify these pixellated electrical signals, to detect the pulses or their modulation, to perform the distance measurements and to recalculate or reduce the received data. These functions would be the receiving optics 74 , the optical amplification block 76 , the detector array 78 , the amplifier array 80 , the Elite IC 82 , the A / D converter 84 and the data reduction processor 86 include.
Die in 5 dargestellte Einheitszellenelektronik ist gut dazu ausgebildet, mit einem Gauss-förmigen Einzelpuls-Modulationsschema zu funktionieren, und funktioniert vorteilhafter Weise auch mit anderen Modulationsschemata, einschließlich Sequenzen von Flat-topped-Pulsen, Gauss-förmigen oder sonstwie geformten Pulsen. Diese Pulse können eine variable Breite und Abstand aufweisen, um Doppeldeutigkeiten hinsichtlich des Abstandes zu reduzieren, und können außerdem zufällige Pulssequenzen sein, oder in anderen Fällen Barker-kodierte Pulssequenzen. Beim typischen Betrieb eines kurzreichweitigen Ladarsensors 32 mit einem Halbleiterlaser, der einen einzelnen Gauss-förmigen Ausgabepuls erzeugt, wird ein Teil des von einer Oberfläche im Bildfeld des kurzreichweitigen Ladarsensors 32 reflektierten gepulsten Laserlichts durch die Empfangsoptik 74 gebündelt und fokussiert, geht durch den optischen Verstärkungsblock 76 und fällt auf ein individuelles Detektorelement 100 des Detektorarrays 78. Das individuelle Element 100 ist typischerweise eine Avalanche-Fotodiode, kann aber auch ein PIN oder NIP oder eine andere Struktur sein. Jedes individuelle Element 100 des Detektorarrays 78 wird in einem halbleitenden Film gebildet, bestehend aus Silizium, Indiumgalliumarsenid, Indiumgalliumarsenidphosphid, Aluminiumgalliumarsenid, Indiumgalliumnitrid oder anderen halbleitenden Komponenten, welche für die Wellenlänge dieses Betriebs geeignet sind. Jedes individuelle Element 100 wird mit einer Spannung über ein Bias-Spannung-Verteilungsnetzwerk VDET 102 vorgespannt. Das auf das individuelle Detektorelement 100 auftreffende reflektierte Lichtsignal wird in ein elektronisches Signal umgewandelt, typischerweise einen Fotostrom, und durch einen Eingangsverstärker 104 verstärkt, typischerweise einen Transimpedanzverstärker. Die Ausgabe des Eingangsverstärkers 104 wird an einen Trigger-Schaltkreis 106 als auch an eine Anzahl von Analogabtastgatter 108 verteilt. Jedes Analogabtastgatter 108 hat einen Ausgang, der mit einer Analogspeicherzelle 120 verbunden ist. Der Trigger-Schaltkreis 106 ist typischerweise ein Schwellenwertspannungskomparator, der zum Triggern eingestellt ist, wenn ein Puls empfangen wird, welcher einen vorgegebenen Betrag überschreitet, obwohl andere Pulsdetektionsschemata verwendet werden können. Nach einer mit Hilfe eines Verzögerungsschaltkreises 110 programmierbaren Verzögerung wird der Zustand des Umlaufwählers 112 durch den Logikübergang der Triggerschaltkreis 106-Ausgabe „eingefroren”, falls die Einheitszelle in der TRIGGER-Betriebsart betrieben wird. Vor der Detektion eines empfangenen Pulses durch den Trigger-Schaltkreis 106 bringt der Abtasttakt 114 den Zustand des Umlaufwählers 112 dazu, fortzuschreiten, wodurch einer der Abtaststeuerausgänge S1 bis S3 aktiviert wird, was wiederum eine Abtastung der Eingangsverstärker 104-Ausgabe durch eines der Abtastgatter 108 verursacht. Die Anzahl an Übergängen des Abtasttaktes 114 wird durch den Zähler 116 gezählt, wenn der Umlaufwähler 112 einen Logikübergang an den Zähler 116 für jeden Zyklus des Abtasttaktes nach Freigabe der aktiven Low-Reset-Leitung 118 ausgibt. Der Umlaufwähler 112 kann durch die Ausgänge S1 bis S3 der Reihe nach durchschalten, oder kann in Abhängigkeit von der Programmierung eine unterschiedliche Sequenz aufweisen. Ein zweiter Umlaufwähler 112 und Abtasttakt 114 können parallel zueinander operieren, zusammen mit dem Zähler 116, den Analog-Abtastgattern 108 und den Analog-Speicherzellen 120. Die Kombination aus Abtasttakt 114, Zähler 116, Umlaufwähler 112, Abtastgattern 108 und Speicherzellen 120 kann als eine Einheitszellen-Abtaststruktur 122 bezeichnet werden, angedeutet durch die mit kurzen Strichen markierte Umrandung. Zwei, drei oder mehrere dieser Abtaststrukturen 122 können parallel an dem Ausgang des Eingangsverstärkers 104 betrieben werden, mit den weiter unten zu beschreibenden Vorteilen einer solchen Struktur hinsichtlich Abstands-Doppeldeutigkeit. In 5 sind drei Abtastgatter 108 und Analog-Speicherzellen 120 gezeigt, wobei die Anzahl auf einigen Auslese-ICs 82 mehrere 100 oder noch mehr betragen kann. Sowie alle Analog-Abtastdaten erfasst worden sind, startet ein Steuerbefehl von dem Steuerprozessor 58 einen Auslesezyklus durch Aktivieren der Ausgabesteuerung 124 und des Ausgabeverstärkers 126, um die Inhalte der Analog-Speicherzellen 120 in einer vorgegebenen Reihenfolge auszulesen.In the 5 The unit cell electronics shown are well-engineered to function with a Gaussian single-pulse modulation scheme, and advantageously also work with other modulation schemes, including sequences of flat-topped pulses, Gaussian or otherwise shaped pulses. These pulses may have variable width and spacing to reduce ambiguity in distance, and may also be random pulse sequences, or in other cases Barker encoded pulse sequences. Typical operation of a short-range ladar sensor 32 with a semiconductor laser producing a single Gaussian output pulse becomes a part of the surface of an image field of the short-range charger sensor 32 reflected pulsed laser light through the receiving optics 74 focused and focused, goes through the optical gain block 76 and falls on an individual detector element 100 of the detector array 78 , The individual element 100 is typically an avalanche photodiode, but may also be a PIN or NIP or other structure. Every individual element 100 of the detector array 78 is formed in a semiconductive film consisting of silicon, indium gallium arsenide, indium gallium arsenide phosphide, aluminum gallium arsenide, indium gallium nitride, or other semiconductive components suitable for the wavelength of this operation. Every individual element 100 is connected to a voltage via a bias voltage distribution network V DET 102 biased. That on the individual detector element 100 incident reflected light signal is converted to an electronic signal, typically a photocurrent, and an input amplifier 104 amplifies, typically a transimpedance amplifier. The output of the input amplifier 104 is connected to a trigger circuit 106 as well as a number of analog sample gates 108 distributed. Each analog sampling gate 108 has an output connected to an analog memory cell 120 connected is. The trigger circuit 106 is typically a threshold voltage comparator set to trigger when receiving a pulse exceeding a predetermined amount, although other pulse detection schemes may be used. After one with the help of a delay circuit 110 programmable delay becomes the state of the rotary dialer 112 through the logic transition of the trigger circuit 106 Output "frozen" if the unit cell is operating in TRIGGER mode. Before the detection of a received pulse by the trigger circuit 106 brings the sampling clock 114 the state of the rotary dialer 112 to proceed, thereby activating one of the sample control outputs S1 to S3, which in turn, samples the input amplifiers 104 Output by one of the sampling gates 108 caused. The number of transitions of the sampling clock 114 is through the counter 116 counted when the circulation voter 112 a logic transition to the counter 116 for each cycle of the sampling clock after enabling the active low-reset line 118 outputs. The circulation selector 112 may pass through the outputs S1 to S3 in turn, or may have a different sequence depending on the programming. A second round voter 112 and sampling clock 114 can operate in parallel with each other, along with the counter 116 , the analog sampling gates 108 and the analog memory cells 120 , The combination of sampling clock 114 , Counter 116 , Rotary voters 112 , Sampling gates 108 and memory cells 120 can as a unit cell scanning structure 122 indicated by the short lines marked border. Two, three or more of these sampling structures 122 can be parallel to the output of the input amplifier 104 with the advantages of such a structure as to distance ambiguity to be described below. In 5 are three sampling gate 108 and analog memory cells 120 shown, with the number on some readout ICs 82 can be several hundred or even more. As soon as all of the analog scan data has been acquired, a control command starts from the control processor 58 a read cycle by activating the output control 124 and the output amplifier 126 to the contents of the analog memory cells 120 read in a given order.
Bei einem typischen kurzreichweitigen Ladarsensor 32, und unter der Annahme eines 1 cm2-VCSEL-Arrays mit einer 5 kW/cm2-Leistungsdichte, und in Abhängigkeit von der Reflektivität der Objekte im Bildfeld, und der Responsivität und des Überschussrauschens des Detektorarrays 78, kann der wirksame Bereich des Gauss-förmigen Einzelpulsmodulationsschemas im Bereich von 10 bis 20 m liegen, und zwar unter Verwendung einer einfachen Schwellenwertdetektionstechnik.In a typical short-range ladar sensor 32 and assuming a 1 cm 2 VCSEL array with a 5 kW / cm 2 power density, and depending on the reflectivity of the objects in the image field, and the responsiveness and surplus noise of the detector array 78 For example, the effective range of the Gaussian single pulse modulation scheme may be in the range of 10 to 20 m, using a simple threshold detection technique.
Um nicht auf ein großes VCSEL-Array zugreifen zu müssen, welches teuer sein dürfte und einen großen Entladungskondensator erfordern dürfte, um einen großen Strompuls bereitzustellen, können intelligentere Modulations- und Detektionstechniken verwendet werden, um zusätzliche Bearbeitungsfunktionen zu erzeugen, um das Signal-Rausch-Verhältnis effektiv zu erhöhen, und somit den Bereich des kurzreichweitigen Ladarsensors 32 zu erweitern, ohne die Spitzenleistung erhöhen zu müssen. In einem ersten Modulationsschema, welches eine Gauss-förmige Einzelpulsmodulation erzeugt, kann eine Detektionstechnik angewendet werden, welche die digitalisierten Analogabtastungen von jedem elektrischen Einheitszellenschaltkreis verwendet, und diese Abtastwerte in einem digitalen Optimalfilter (matched filter) bearbeitet, um den Schwerpunkt des empfangenen Pulses herauszufinden, was zu einer beträchtlichen Bearbeitungszunahme führt. Die aus dieser Struktur resultierenden Bearbeitungssteigerungen sind proportional zur Quadratwurzel der Anzahl an Abtastwerten, die in dem Filteralgorithmus verwendet werden. Beispielsweise könnte ein elektrischer Einheitszellenschaltkreis mit 256 analogen Speicherzellen 120 eine Bearbeitungssteigerung von 16 erzielen, falls alle verfügbaren Analogabtastwerte in einem Optimalfilteralgorithmus verwendet würden, unter der Annahme einer Gauss-förmigen Einzelpulsmodulation und einer normalen Rauschverteilung. Der Begriff „Bearbeitungssteigerung” wird hier verwendet, um die Zunahme in dem effektiven Signalrauschverhältnis (SNR) zu beschreiben, welche durch Ausführen der beschriebenen Operationen an Spannungsabtastwerten erreicht wird. Unter der Annahme, dass das gepulste Laserlicht gleichförmig in ausreichender Weise über dem Bildfeld der Empfangsoptik 74 verteilt ist, nimmt der effektive Bereich des Ladar ebenfalls mit der Quadratwurzel der übertragenen Leistung (bzw. SNR) zu, und eine Zunahme im Abstand von bis zu 40 bis 80 m könnte das Ergebnis sein. Eine Gauss-förmige Einzelpulsmodulation könnte charakteristisch entweder für einen Festkörperlaser oder einen Halbleiterlaser mit einem einfachen Treiber sein, und kann deshalb ein Merkmal entweder eines langreichweitigen Ladarsensors 34 oder eines kurzreichweitigen Ladarsensors 32 sein.In order not to have to access a large VCSEL array, which is likely to be expensive and may require a large discharge capacitor to provide a large current pulse, smarter modulation and detection techniques can be used to create additional processing functions to reduce the signal-to-noise ratio. Effectively increase ratio, and thus the range of short-range Ladarsensors 32 to expand without having to increase the peak power. In a first modulation scheme that generates Gaussian single-pulse modulation, a detection technique may be used which uses the digitized analog samples from each unit electrical cell circuit and processes these samples in a matched filter to find the center of gravity of the received pulse. which leads to a considerable increase in processing. The machining gains resulting from this structure are proportional to the square root of the number of samples used in the filter algorithm. For example, an electrical unit cell circuit with 256 analog memory cells 120 achieve an increase in processing of 16 if all available analog samples were used in an optimal filter algorithm, assuming Gaussian single-pulse modulation and normal noise distribution. The term "machining gain" is used herein to describe the increase in the effective signal-to-noise ratio (SNR) achieved by performing the described operations on voltage samples. Assuming that the pulsed laser light is sufficiently uniform across the field of view of the receiving optics 74 is distributed, the effective range of the ladar also increases with the square root of the transmitted power (or SNR), and an increase in the distance of up to 40 to 80 m could be the result. Gaussian single pulse modulation could be characteristic of either a solid-state laser or a semiconductor laser with a simple driver, and therefore can be a feature of either a long-range ladar sensor 34 or a short-range ladar sensor 32 be.
Der elektronische Einheitszellenschaltkreis aus 5 ist für eine Einzelpulsmodulation gut angepasst, oder auch für komplexere Modulationsszenarien. In einem zweiten Modulationsschema kann ein VCSEL-Array, das mit einer Reihe von Barker-kodierten flat-topped-Rechteck- bzw. Gauss-Pulsen moduliert wird, mit der Einheitszellenelektronik aus 5 abgetastet und mit dem Datenreduktionsprozessor 86 hinsichtlich Abstands- und Intensitätsabschätzungen analysiert werden. In einem dritten Modulationsschema ermöglicht ein mit einer gepulsten Sinuswelle moduliertes VCSEL-Array die Reflexion von mehr kumulativer Energie von einem Merkmal in einer Szene in dem Bildfeld entweder des kurzreichweitigen Ladarsensors 32 oder eines langreichweitigen Ladarsensors 34 ohne Zunahme in der Spitzenleistung. Jeder Peak einer gepulsten Sinuswelle wird eine separate Reflexion von einem Objekt bzw. Merkmal in der Szene in dem Bildfeld des Ladarsensors 52 aufweisen, wobei der elektrische Einheitszellenschaltkreis aus 5 dem Ladarsensorempfänger ermöglicht, auf die kumulative Energie von vielen dieser reflektierten Pulse unter Verwendung eines Minimums an Verschaltungen zu reagieren. Die Wellenform in einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Anzahl von Sinuswellenzyklen, wobei die Anzahl recht groß sein könnte, und zwar abhängig von einer Anzahl von Faktoren. Die Empfänger-Verschaltung der in 5 gezeigten Einheitszellenelektronik ist in der Lage, die kumulative Energie der zurückgegebenen Pulsspitzen abzutasten bzw. synchron zu detektieren. Zwei Abtastbetriebsarten können von der in 5 gezeigten Einheitszellenabtaststruktur unterstützt werden. Bei Erfassen von Analogabtastwerten von Einzelpuls- oder Multipuls-Sequenzen, wobei Analogabtastwerte einer eingehenden Wellenform sequentiell erfasst werden, würde die Abtast-Impedanzsteuerung 128 (Z) für den Umlaufwähler 112 auf einen Minimalwert eingestellt sein. Die Abtastfrequenz des Abtasttaktes 114 würde außerdem derart eingestellt sein, um 10 oder vielleicht 20 Analogabtastwerte während jeder Pulsbreite zu erzeugen. Wenn die Abtast-Impedanzsteuerung 128 auf ein Minimum eingestellt ist, dann werden die Abtastwertsteuerungen S1, S2, S3 mit voller Spannung während eines Abtastzyklusses aktiviert. Da jedes Abtastgatter 108 ein Feldeffekttransistor ist, wird eine Zunahme der Abtastwertsteuerspannung S1 bis S3 die Gatter-Quell-Spannung an dem Abtast-FET erhöhen, wodurch die Impedanz des Kanals zwischen Quelle und Senke abgesenkt wird, und wobei die Abtastgatter-Impedanz auf ein Minimum gesetzt wird. Wenn die Abtastgatter 108-Impedanz auf ein Minimum eingestellt ist, dann lädt sich der Speicherkondensator, der als eine Analog-Speicherzelle 120 dient, schnell auf die am Ausgang des Eingangsverstärkers 104 anliegende Spannung auf. Diese Betriebsart kann als „unmittelbare Spannungsabtastung” bezeichnet werden, um diese Betriebsart von einer zweiten Abtastbetriebsart zu unterscheiden, welche ausgewählt wird, wenn die Abtast-Impedanzsteuerung 128 auf einen höheren oder selbst den Maximalwert eingestellt ist. Wenn die Abtast-Impedanzsteuerung 128 für hohe Impedanz ausgewählt ist, oder einen maximalen Reihenwiderstandswert, dann befänden sich die Ausgänge S1 bis S3 bei bzw. in der Nähe von Minimalspannungen, wenn diese aktiviert sind, was zu einer geringeren Gatter-Quell-Spannung an jedem Abtastgatter-FET 108 führt, und somit zu einem höheren Abtastgatter-Reihenwiderstand in dem Kanal zwischen Quelle und Senke jedes Abtastgatter 108-FET. Bei Einstellung des Reihenwiderstands der Abtastgatter 108 auf einen hohen oder maximalen Wert besteht die Wirkung darin, dass sich ein R-C-Filter entwickelt, wobei der Analog-Speicher-Zelle 120-Speicherkondensator als ein integrierender Kondensator funktioniert. Diese zweite Abtastbetriebsart kann sehr nützlich sein, wenn eine sinusförmige Modulation an dem Pulslasersender 68 in dem Fall angewendet wird, wo der Laser ein Halbleiterlaser ist, typischerweise ein Hochleistungs-VCSEL. Durch Anwenden eines Abtasttaktes an dem durch S1 betriebenen Abtastgatter 108, welches die gleiche Frequenz wie die sinusförmige Modulation ist, werden eine Summenfrequenz und eine Differenzfrequenz in dem abgetasteten Signal sein, wobei der Analog-Speicher-Zelle 120-Speicherkondensator die Summenfrequenz herausfiltern wird, und wobei die Differenzfrequenz Null sein wird, dabei lediglich eine Gleichspannungskomponente zurücklassend, welche eine trigonometrische Funktion des Phasenunterschieds sein wird. über eine Anzahl von Zyklen der sinusförmigen Modulation vom Ausgang des Eingangsverstärkers 104 wird diese Gleichspannung als der Sinus bzw. Kosinus des Phasenunterschieds zwischen den übertragenen und empfangenen Wellenformen hervorgehen. Dieser Phasenunterschied ist proportional zum Abstand zu einer reflektierenden Oberfläche. Um die Bearbeitungsverstärkung zu verbessern, wird das zweite Abtastgatter, welches von dem S2-Signal angetrieben wird, durch die gleiche Abtasttaktfrequenz angetrieben, jedoch um 90° in der Phase verschoben, wobei die größere der zwei Gleichspannungen, bzw. ein Verhältnis der zwei Spannungen, zur Abschätzung der Phase und dadurch des Abstandes verwendet werden kann. Typischerweise wird ein Verhältnis bevorzugt, da es die Variationen der Amplitude der eingehenden Sinuswelle als ein Fehlerterm entfernt. Diese Art von Detektion beruht auf „In-Phase” und „Quadratur-Phase”-Ortsreferenzen und wird oftmals als ein „I & Q”-Detektionsschema bezeichnet. Daher können die Abtastgatter 108 in einer ersten Abtastbetriebsart als Sofort-Spannungsabtaster betrieben werden, oder als Frequenzmischer in einer zweiten Abtastbetriebsart, abhängig vom Zustand der Abtast-Impedanzsteuerung 128 und der von dem Abtasttakt 114 angewendeten Frequenz. In der ersten Abtastbetriebsart kann die Form eines Pulses oder einer Sequenz von Pulsen erfasst werden, und in einer zweiten Abtastbetriebsart kann eine periodische Wellenformmodulation, wie zum Beispiel eine Sinuswelle, durch den Frequenzmischeffekt und Integration über einen Speicherkondensator demoduliert werden, was zu einer Phasenmessung und dadurch zu einer Abstandsmessung führt. Eine Demodulation innerhalb des elektrischen Einheitszellenschaltkreises reduziert die Daten zu einem frühen Zeitpunkt, wodurch die Erfordernisse für Speicher und schnelle Digitalprozessoren reduziert werden. Alternativ kann die Demodulation einer Sinuswelle oder anderen periodischen Wellenformen in einem Datenreduktionsprozessor 86 an den digitalisierten Darstellungen der Analogabtastwerte durchgeführt werden, unter der Voraussetzung einer schnellen Arithmetikeinheit und des geeigneten Algorithmusses. Dies veranschaulicht die Leistungsfähigkeit und Flexibilität der Sofort-Spannungsabtastbetriebsart, da der Datenreduktionsprozessor 86 dazu ausgebildet sein kann, um PWD, CSC, FIR-Filter, IIR-Filter, I & Q oder eine Reihe von Kurvenanpassungsalgorithmen für eine Erhöhung des SNR ablaufen zu lassen, eine Phase zu messen oder auf sonstige Art Abstandsmessfehler zu reduzieren.The electronic unit cell circuit 5 is well suited for single-pulse modulation, or for more complex modulation scenarios. In a second modulation scheme, a VCSEL array modulated with a series of Barker-coded flat-topped square and Gaussian pulses, respectively, can be implemented with the unit cell electronics 5 sampled and with the data reduction processor 86 be analyzed in terms of distance and intensity estimates. In a third modulation scheme, a pulsed sine wave modulated VCSEL array enables reflection of more cumulative energy from a feature in a scene in the image field of either the short-range ladar sensor 32 or a long-range ladar sensor 34 without increase in peak performance. Each peak of a pulsed sine wave becomes a separate reflection from an object in the scene in the image field of the ladar sensor 52 , wherein the unit electrical cell circuit 5 allows the charger sensor receiver to respond to the cumulative energy of many of these reflected pulses using a minimum of interconnections. The waveform in a preferred embodiment is a number of sinusoidal cycles, which number could be quite large, depending on a number of factors. The receiver interconnection of in 5 shown unit cell electronics is able to sample the cumulative energy of the returned pulse peaks or synchronously detected. Two sampling modes may differ from those in 5 supported unit cell scanning structure. Upon sensing analog samples of single pulse or multipulse sequences, wherein analog samples of an incoming waveform are sequentially detected, the sample impedance control would 128 (Z) for the circulation voter 112 be set to a minimum value. The sampling frequency of the sampling clock 114 would also be set to produce 10 or perhaps 20 analog samples during each pulse width. When the sampling impedance control 128 is set to a minimum, then the sample controls S1, S2, S3 are activated at full voltage during a sampling cycle. Since every sampling gate 108 is a field effect transistor, an increase in sample control voltage S1 to S3 will increase the gate-to-source voltage on the sense FET, lowering the impedance of the channel between source and sink, and minimizing the sense gate impedance. If the sampling gate 108 Impedance is set to a minimum, then the storage capacitor charges, acting as an analog memory cell 120 serves, quickly to the at the output of the input amplifier 104 voltage applied. This mode may be referred to as an "immediate voltage scan" to distinguish this mode of operation from a second scan mode selected when the scan impedance control 128 is set to a higher or even the maximum value. When the sampling impedance control 128 is selected for high impedance, or a maximum series resistance value, then the outputs S1 to S3 would be at or near minimum voltages when activated, resulting in a lower gate-to-source voltage at each sample gate FET 108 leads, and thus to a higher sample gate series resistance in the channel between source and sink of each sample gate 108 FET. When setting the series resistance of the sampling gate 108 to a high or maximum value, the effect is that an RC filter evolves, with the analog memory cell 120 Storage capacitor works as an integrating capacitor. This second sampling mode may be very useful when applying sinusoidal modulation to the pulse laser transmitter 68 is applied in the case where the laser is a semiconductor laser, typically a high power VCSEL. By applying a sampling clock to the sampling gate operated by S1 108 which is the same frequency as the sinusoidal modulation will be a sum frequency and a difference frequency in the sampled signal, the analog memory cell 120 Memory capacitor will filter out the sum frequency, and where the difference frequency will be zero, leaving only a DC component which will be a trigonometric function of the phase difference. over a number of cycles of sinusoidal modulation from the output of the input amplifier 104 For example, this DC voltage will emerge as the sine or cosine of the phase difference between the transmitted and received waveforms. This phase difference is proportional to the distance to a reflective surface. In order to improve the machining gain, the second scanning gate, which is driven by the S2 signal, driven by the same sampling clock frequency, but in phase shifted by 90 °, wherein the greater of the two DC voltages, or a ratio of the two voltages, can be used to estimate the phase and thereby the distance. Typically, a ratio is preferred because it removes the variations in the amplitude of the incoming sine wave as an error term. This type of detection relies on "in-phase" and "quadrature-phase" spatial references and is often referred to as an "I &Q" detection scheme. Therefore, the sampling gates 108 in a first sampling mode as an instantaneous voltage sampler, or as a frequency mixer in a second sampling mode, depending on the state of the sampling impedance control 128 and that of the sampling clock 114 applied frequency. In the first sampling mode, the shape of a pulse or sequence of pulses may be detected, and in a second sampling mode, periodic waveform modulation, such as a sine wave, may be demodulated by the frequency mixing effect and integration through a storage capacitor, resulting in a phase measurement and thereby leads to a distance measurement. Demodulation within the unitary electrical circuit reduces the data at an early stage, thereby reducing the requirements for memory and fast digital processors. Alternatively, the demodulation of a sine wave or other periodic waveforms in a data reduction processor 86 on the digitized representations of the analog samples, assuming a fast arithmetic unit and the appropriate algorithm. This illustrates the performance and flexibility of the instantaneous voltage sampling mode because the data reduction processor 86 may be configured to run PWD, CSC, FIR filters, IIR filters, I & Q, or a series of curve fitting algorithms for increasing the SNR, measuring a phase, or otherwise reducing distance measurement errors.
6A zeigt eine Mittelabschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform des gepulsten Lasersenders 68, einen Flash-Detektor 67 und einen Strahllenkungsmechanismus 70. Ein Siliziumsubstrat 130 wird mit Hilfe von Photolithographie und MEMS-Herstellungstechniken bearbeitet, um einen Hohlraum 142, ein Cantilever-Biegeelement 138 und zwei zurückgesetzte Bereiche zum Anbringen eines Kantenstrahllasers 132 und einer Strahlkonditionierlinse 134 aufzuweisen. Die Strahlkonditionierlinse 134 ist typischerweise eine Kugellinse oder eine Stablinse, kann jedoch auch von anderer Art sein, welche für ein Zirkularisieren und/oder Kollimieren des elliptischen Ausgabestrahls des Kantenstrahllasers 132 nützlich ist. Ein Winkelblock 136 wird verwendet, um den konditionierten Ausgabestrahl des Kantenstrahllasers 132 auf die Spiegeloberfläche 146 des Biegeelements 138 umzulenken. Die Spiegeloberfläche 146 kann Gold, Silber, Aluminium, Nickel, Titan oder ein anderes reflektives Metall sein, und kann auch ein Stapel aus mehreren Metallschichten sein. Die Spiegeloberfläche 146 kann außerdem ein dielektrischer Multischicht-Reflektor sein, der aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Saphir, Kalziumfluorid oder einer anderen geeigneten dielektrischen Schicht bzw. Film gebildet ist. Im Betrieb wird eine Differenzspannung zwischen kammförmigen Kontakten 148 angelegt, um eine piezoelektrische Verspannung auf der Rückseite des Biegeelements 138 zu verursachen. Falls die piezoelektrische Verspannung eine Druckspannung ist, dann wird sich das Biegeelement 138 nach oben biegen (über die obere Oberfläche des Substrats 130). Falls die piezoelektrische Verspannung eine Zugspannung ist, dann wird sich das Biegeelement 138 nach unten in Richtung auf das Innere der Kavität 142 verbiegen. In Abhängigkeit des Vorzeichens der an die kammförmigen Kontakte 148 angelegten Differenzspannung wird die Spannungsbeanspruchung eine Druckspannung oder eine Zugspannung sein. Auf diese Art und Weise kann der ausgegebene optische Strahl 140 durch einen Winkel θ gefahren werden, wie es in der Darstellung gezeigt ist. 6A shows a mid-section view of a preferred embodiment of the pulsed laser transmitter 68 , a flash detector 67 and a beam steering mechanism 70 , A silicon substrate 130 is machined to a cavity using photolithography and MEMS fabrication techniques 142 , a cantilever bending element 138 and two recessed areas for attaching an edge blasting laser 132 and a jet conditioning lens 134 exhibit. The jet conditioning lens 134 is typically a ball lens or a rod lens, but may be of another type which is suitable for circularizing and / or collimating the elliptical output beam of the edge beam laser 132 is useful. An angle block 136 is used to control the conditioned output beam of the edge blasting laser 132 on the mirror surface 146 of the bending element 138 redirect. The mirror surface 146 may be gold, silver, aluminum, nickel, titanium, or other reflective metal, and may also be a stack of multiple metal layers. The mirror surface 146 may also be a dielectric multilayer reflector formed of silicon dioxide, silicon nitride, sapphire, calcium fluoride, or other suitable dielectric film. In operation, a differential voltage between comb-shaped contacts 148 applied to a piezoelectric strain on the back of the flexure 138 to cause. If the piezoelectric strain is a compressive stress, then the flexure will become 138 bend upwards (over the top surface of the substrate 130 ). If the piezoelectric strain is a tensile stress, then the flexure will become 138 down towards the interior of the cavity 142 bend. Depending on the sign of the comb-shaped contacts 148 applied differential voltage, the voltage stress will be a compressive stress or a tensile stress. In this way, the output optical beam 140 be driven by an angle θ, as shown in the illustration.
Der Winkel θ befindet sich typischerweise im Bereich von 17° und kann in weniger als einer Millisekunde durchgefahren werden, und in einigen Fällen in weniger als 100 μs, und zwar in Abhängigkeit der Besonderheiten des Designs. An der Rückseite des Kantenstrahllasers 132 befindet sich eine Kantendetektions-PIN-Diode 144, welche als ein Detektor für optische Leistung angeordnet ist, um den durch die Rückseite des Kantenstrahllasers 132 ausgestrahlten Leistungsanteil abzufangen. Der gepulste Lasersender 68 weist neben dem Laser 132 eine Reihe von weiteren Komponenten auf, einschließlich eines elektrischen Antriebsschaltkreises und einer elektronischen Schnittstelle zu dem Steuerprozessor 58. Diese Schaltkreise sind hier nicht dargestellt, sondern wurden in anderen Publikationen bereits beschrieben. Ebenso weist der Flash-Detektor 67 außer der PIN-Diode 144 weitere Komponenten auf, einschließlich eines elektrischen Verstärkers und eines Schwellenwertdetektionsschaltkreises. Diese Schaltkreise wurden ebenfalls detailliert in anderen Publikationen beschrieben und haben für die vorliegende Erfindung nur eine periphere Bedeutung.The angle θ is typically in the range of 17 ° and can be traversed in less than a millisecond, and in some cases less than 100 μs, depending on the particulars of the design. At the back of the edge blasting laser 132 there is an edge detection PIN diode 144 which is arranged as an optical power detector, around the backside of the edge beam laser 132 intercept emitted power component. The pulsed laser transmitter 68 points next to the laser 132 a number of other components, including an electrical drive circuit and an electronic interface to the control processor 58 , These circuits are not shown here, but have already been described in other publications. The same applies to the flash detector 67 except the PIN diode 144 further components, including an electrical amplifier and a threshold detection circuit. These circuits have also been described in detail in other publications and have only a peripheral meaning to the present invention.
6B zeigt eine Mittelabschnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform des Strahllenkungsmechanismusses 70. Mehrere Ausführungsformen des Strahllenkungsmechanismusses 70 werden bevorzugt, wobei jede jeweils in Verbindung mit 6A, 6B, 6C und 6D beschrieben wird. Die Betriebsart des Strahllenkungsmechanismusses 70 wird dann in Verbindung mit den Funktionen des Ladarsensors 32, 34 beschrieben. Ein Siliziumsubstrat 150 wird mit Hilfe von Photolithographie und MEMS-Herstellungstechniken bearbeitet, um eine Kavität 156, ein Cantilever-Biegeelement 158 und zwei zurückgesetzte Bereiche zum Anbringen eines Kantenstrahllasers 152 und einer Strahlkonditionierlinse 154 auf einer ersten Oberfläche aufzuweisen. Die Strahlkonditionierlinse 154 ist typischerweise eine Kugellinse oder eine Stablinse, kann aber auch von einer anderen Art sein, welche zum Zirkularisieren und/oder Kollimieren des elliptischen Ausgabestrahls des Kantenstrahllasers 152 nützlich ist. Der Ausgabestrahl des Kantenstrahllasers 152 wird durch Linse 154 gelenkt, um auf die Spiegeloberfläche 160 des Biegeelements 158 zu treffen. Die Spiegeloberfläche 160 kann Gold, Silber, Aluminium, Nickel, Titan oder ein anderes reflektives Metall sein, und kann ein Stapel aus mehreren Metallschichten bzw. -filmen sein. Die Spiegeloberfläche 160 kann außerdem ein dielektrischer Multischicht-Reflektor sein, der aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Saphir, Kalziumfluorid oder einem anderen geeigneten dielektrischen Film gebildet ist. Im Betrieb wird eine Differenzspannung zwischen kammförmigen Kontakten 162 angelegt, um eine piezoelektrische Verspannung auf der Rückseite des Biegeelements 158 zu bewirken. Falls die piezoelektrische Verspannung eine Zugspannung ist, dann wird sich das Biegeelement 158 nach oben biegen (über die obere Oberfläche des Substrats 150). Falls die piezoelektrische Verspannung eine Druckspannung ist, dann wird sich das Biegeelement 158 nach unten in Richtung auf das Innere der Kavität 156 biegen. In Abhängigkeit vom Vorzeichen der an den kammförmigen Kontakten 162 angelegten Differenzspannung wird die Verspannung eine Druckspannung oder eine Zugspannung sein. Auf diese Weise kann der ausgegebene optische Strahl 164 durch einen Winkel θ gefahren werden, wie es in der Darstellung gezeigt ist. Der Winkel θ liegt typischerweise im Bereich von 17°, und kann in weniger als einer Millisekunde durchfahren werden, und in einigen Fällen in weniger als 100 ms, in Abhängigkeit von den Besonderheiten des Designs. Eine komplementäre Struktur kann auf der Rückseite des Substrats 150 in der gleichen Art und Weise ausgebildet sein, wobei die identische Struktur in Kombination mit der Struktur auf der ersten Oberfläche verwendet wird, um einen Winkel von 2θ zu durchfahren, was dann im Bereich von 34° wäre. In einigen Fällen ist die Struktur auf der Rückseite des Substrats 150 durch Zusammensetzen von zwei ähnlichen MEMS-Substraten 150 und 151 gebildet, und zwar mittels Waferbonding oder anderen Verfahren. Eine gestrichelte Linie 166 zeigt, wo die zwei Substrate 150 und 151 miteinander verbunden sind. 6B shows a mid-section of a second embodiment of the Strahllenkungsmechanismusses 70 , Several embodiments of the Strahllenkungsmechanismusses 70 are preferred, each in conjunction with 6A . 6B . 6C and 6D is described. The operating mode of the Strahllenkungsmechanismusses 70 then becomes in connection with the functions of the Ladarsensors 32 . 34 described. A silicon substrate 150 is machined to a cavity using photolithography and MEMS fabrication techniques 156 , a cantilever bending element 158 and two recessed areas for attaching an edge blasting laser 152 and a jet conditioning lens 154 to have on a first surface. The jet conditioning lens 154 is typically a ball lens or a rod lens, but may be of a different type which is used to circularize and / or collimate the elliptical output beam of the edge beam laser 152 is useful. The output beam of the edge beam laser 152 is through lens 154 steered to the mirror surface 160 of the bending element 158 hold true. The mirror surface 160 may be gold, silver, aluminum, nickel, titanium or other reflective metal, and may be a stack of multiple metal layers or films. The mirror surface 160 may also be a dielectric multilayer reflector formed of silicon dioxide, silicon nitride, sapphire, calcium fluoride or other suitable dielectric film. In operation, a differential voltage between comb-shaped contacts 162 applied to a piezoelectric strain on the back of the flexure 158 to effect. If the piezoelectric strain is a tensile stress, then the flexure will become 158 bend upwards (over the top surface of the substrate 150 ). If the piezoelectric strain is a compressive stress, then the flexure will become 158 down towards the interior of the cavity 156 to bend. Depending on the sign of the comb-shaped contacts 162 applied differential voltage, the tension will be a compressive stress or a tensile stress. In this way, the output optical beam 164 be driven by an angle θ, as shown in the illustration. The angle θ is typically in the range of 17 °, and can be traversed in less than a millisecond, and in some cases less than 100 ms, depending on the particulars of the design. A complementary structure may be on the back of the substrate 150 in the same manner, the identical structure in combination with the structure on the first surface is used to pass through an angle of 2θ, which would then be in the region of 34 °. In some cases, the structure is on the back of the substrate 150 by assembling two similar MEMS substrates 150 and 151 formed by wafer bonding or other methods. A dashed line 166 shows where the two substrates 150 and 151 connected to each other.
6C zeigt eine Mittelabschnittdarstellung einer dritten Ausführungsform des Strahllenkungsmechanismusses 70. Ein erstes Siliziumsubstrat 168 wird mit Hilfe von Photolithographie und MEMS-Herstellungstechniken bearbeitet, um eine Kavität 178 und ein erstes Cantilever-Biegeelement 180 sowie zwei zurückgesetzte Bereiche zum Anbringen eines Kantenstrahllasers 170 und einer Strahlkonditionierlinse 172 auf der oberen Oberfläche aufzuweisen. Ein dritter zurückgesetzter Bereich 175 ist mit Hilfe von MEMS-Techniken gebildet, wie zum Beispiel chemisch-mechanisches Polieren. Der zurückgesetzte Bereich 175 weist ein geneigtes Profil an den Seitenwänden sowie eine Spiegeloberfläche 174 auf. Die Strahlkonditionierlinse 172 ist vertikal von der Mittellinie des Ausgabestrahls des Lasers 170 verschoben und lenkt den Strahl auf die Spiegeloberfläche 174 um. Die Strahlkonditionierlinse 172 ist typischerweise eine Kugellinse oder eine Stablinse, kann jedoch auch von einem anderen Typ sein, der für ein Zirkularisieren und/oder Kollimieren des elliptischen Ausgabestrahls des Kantenstrahllasers 170 nützlich ist. Der optische Strahl wird dann auf die Spiegeloberfläche 190 eines zweiten Biegeelements 188 gelenkt. Das zweite Biegeelement 188 ist aus einem zweiten Siliziumsubstrat 184 gebildet, welches eine darin mit Hilfe von MEMS-Verfahren gebildete Kavität 186 aufweist. Das zweite Siliziumsubstrat 184 ist auf dem ersten Siliziumsubstrat 168 positioniert und mit diesem gebondet. Der Bonding-Prozess kann ein Klebemittel, ein Epoxidmittel oder anderes chemisches/physisches Mittel für eine Oberflächenaktivierung umfassen. Die Spiegeloberfläche 190 kann Gold, Silber, Aluminium, Nickel, Titan oder ein anderes reflektives Metall sein, und kann ein Stapel aus mehreren Metallfilmen sein. Die Spiegeloberfläche 190 kann außerdem ein dielektrischer Multischicht-Reflektor sein, der aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Saphir, Kalziumfluorid oder einem anderen geeigneten dielektrischen Film gebildet ist. Im Betrieb wird zwischen kammförmigen Kontakten 192 eine Differenzspannung angelegt, um eine piezoelektrische Verspannung auf der Rückseite des zweiten Biegeelements 188 zu bewirken. Falls die piezoelektrische Verspannung eine Druckspannung ist, dann wird sich das Biegeelement 188 nach oben biegen (über die obere Oberfläche des zweiten Siliziumsubstrats 184). Falls die piezoelektrische Verspannung eine Zugspannung ist, dann wird sich das Biegeelement 188 nach unten zu dem Inneren der Kavität 186 biegen. In Abhängigkeit vom Vorzeichen der an die kammförmigen Kontakte 192 angelegten Differenzspannung wird die Verspannung eine Druckspannung oder eine Zugspannung sein. Auf diese Weise kann der ausgegebene optische Strahl 194 durch einen Winkel von etwa 17° gefahren werden, wie es in der Darstellung gezeigt ist. Der durch das zweite Biegeelement 188 umgelenkte ausgegebene Strahl trifft dann auf die Spiegeloberfläche 182 des ersten Biegeelements 180. Im Betrieb wird zwischen den kammförmigen Kontakten 176 eine Differenzspannung angelegt, um eine piezoelektrische Verspannung auf der Rückseite des ersten Biegeelements 180 zu bewirken. Falls die piezoelektrische Verspannung eine Zugspannung ist, dann wird sich das Biegeelement 180 nach oben verbiegen (über die obere Oberfläche des Siliziumsubstrats 168). Falls die piezoelektrische Verspannung eine Druckspannung ist, dann wird sich das Biegeelement 180 nach unten in Richtung auf das Innere der Kavität 178 verbiegen. In Abhängigkeit vom Vorzeichen der an die kammförmigen Kontakte 176 angelegten Differenzspannung wird die Verspannung eine Druckspannung oder eine Zugspannung sein. Auf diese Weise kann der ausgegebene optische Strahl 194 durch einen Winkel θ im Bereich von 34° gefahren werden, und zwar aufgrund der aus den zwei MEMS-Biegeelementen gebildeten Kaskade. Der Winkel θ kann in weniger als 1 ms durchfahren werden, und in einigen Fällen in weniger als 100 μs, und zwar abhängig von den Besonderheiten des Designs. 6C shows a middle section of a third embodiment of the Strahllenkungsmechanismusses 70 , A first silicon substrate 168 is machined to a cavity using photolithography and MEMS fabrication techniques 178 and a first cantilever bending element 180 and two recessed areas for attaching an edge blasting laser 170 and a jet conditioning lens 172 on the upper surface. A third reset area 175 is formed using MEMS techniques, such as chemical mechanical polishing. The recessed area 175 has an inclined profile on the side walls and a mirror surface 174 on. The jet conditioning lens 172 is vertical from the center line of the output beam of the laser 170 moves and directs the beam onto the mirror surface 174 around. The jet conditioning lens 172 is typically a ball lens or a rod lens, but may be of another type suitable for circularizing and / or collimating the elliptical output beam of the edge beam laser 170 is useful. The optical beam is then onto the mirror surface 190 a second bending element 188 directed. The second bending element 188 is from a second silicon substrate 184 formed, which is a cavity formed therein by means of MEMS method 186 having. The second silicon substrate 184 is on the first silicon substrate 168 positioned and bonded with this. The bonding process may include an adhesive, an epoxy or other surface activation chemical / physical agent. The mirror surface 190 may be gold, silver, aluminum, nickel, titanium or other reflective metal, and may be a stack of multiple metal films. The mirror surface 190 may also be a dielectric multilayer reflector formed of silicon dioxide, silicon nitride, sapphire, calcium fluoride or other suitable dielectric film. In operation, between comb-shaped contacts 192 a differential voltage is applied to a piezoelectric strain on the back surface of the second flexure 188 to effect. If the piezoelectric strain is a compressive stress, then the flexure will become 188 bend upward (over the upper surface of the second silicon substrate 184 ). If the piezoelectric strain is a tensile stress, then the flexure will become 188 down to the interior of the cavity 186 to bend. Depending on the sign of the comb-shaped contacts 192 applied differential voltage, the tension will be a compressive stress or a tensile stress. In this way, the output optical beam 194 be driven by an angle of about 17 °, as shown in the illustration. The through the second bending element 188 deflected output beam then hits the mirror surface 182 of the first bending element 180 , In operation, between the comb-shaped contacts 176 a differential voltage is applied to a piezoelectric strain on the back side of the first flexure 180 to effect. If the piezoelectric strain is a tensile stress, then the flexure will become 180 bend upward (over the top surface of the silicon substrate 168 ). If the piezoelectric strain is a compressive stress, then the flexure will become 180 down towards the interior of the cavity 178 bend. Depending on the sign of the comb-shaped contacts 176 applied differential voltage, the tension will be a compressive stress or a tensile stress. In this way, the output optical beam 194 are driven by an angle θ in the range of 34 °, due to the cascade formed from the two MEMS bending elements. The angle θ can be traversed in less than 1 ms, and in some cases less than 100 μs, depending on the specifics of the design.
6D zeigt eine Mittelabschnittdarstellung einer vierten Ausführungsform des Strahllenkungsmechanismusses 70. Ein Siliziumsubstrat 196 wird mit Hilfe von Fotolithographie und MEMS-Herstellungstechniken verarbeitet, um eine Kavität 198, ein Cantilever-Biegeelement 200 und eine geneigte Spiegeloberfläche 204 aufzuweisen. Ein Oberflächenemitter (VCSEL) 206 ist an der Bodenfläche des Siliziumsubstrats 196 angebracht. Der Ausgabestrahl des VCSEL-Lasers 206 ist typischerweise kreisförmig und muss in der Regel nicht konditioniert werden, kann jedoch bei einigen Designs eine vor dem Strahl angeordnete Fokussier- und/oder Kollimier-Linse aufweisen. Der optische Ausgabestrahl des VCSEL-Lasers 206 wird durch die geneigte Spiegeloberfläche 204 umgelenkt, um auf die Spiegeloberfläche 202 des Biegeelements 200 zu treffen. Die Spiegeloberflächen 202, 204 können Gold, Silber, Aluminium, Nickel, Titan oder ein anderes reflektives Metall sein, und können aus einem Stapel von mehreren Metallfilmen sein. Die Spiegeloberflächen 202, 204 können außerdem ein dielektrischer Multischicht-Reflektor sein, der aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Saphir, Kalziumfluorid oder einem anderen geeigneten dielektrischen Film gebildet ist. Im Betrieb wird zwischen kammförmigen Kontakten 208 eine Differenzspannung angelegt, um eine piezoelektrische Verspannung auf der Rückseite des Biegeelements 200 zu bewirken. Falls die piezoelektrische Verspannung eine Druckspannung ist, dann wird sich das Biegeelement 200 nach oben verbiegen (über die obere Oberfläche des Substrats 196). Falls die piezoelektrische Verspannung eine Zugspannung ist, dann wird sich das Biegeelement 200 nach unten in Richtung auf das Innere der Kavität 198 verbiegen. In Abhängigkeit vom Vorzeichen der an den kammförmigen Kontakten 208 angelegten Differenzspannung wird die Verspannung eine Druckspannung oder eine Zugspannung sein. Auf diese Weise kann der ausgegebene optische Strahl 210 durch einen Winkel θ gefahren werden, wie es in der Darstellung gezeigt ist. Der Winkel θ ist typischerweise im Bereich von 17°, und kann in weniger als 1 ms durchfahren werden, und in einigen Fällen in weniger als 100 μs, und zwar in Abhängigkeit von den Besonderheiten des Designs. 6D shows a middle section of a fourth embodiment of the Strahllenkungsmechanismusses 70 , A silicon substrate 196 is processed to a cavity using photolithography and MEMS fabrication techniques 198 , a cantilever bending element 200 and a tilted mirror surface 204 exhibit. A surface emitter (VCSEL) 206 is at the bottom surface of the silicon substrate 196 appropriate. The output beam of the VCSEL laser 206 is typically circular and generally need not be conditioned, but in some designs may include a focusing and / or collimating lens positioned in front of the beam. The optical output beam of the VCSEL laser 206 is through the inclined mirror surface 204 deflected to the mirror surface 202 of the bending element 200 hold true. The mirror surfaces 202 . 204 may be gold, silver, aluminum, nickel, titanium, or other reflective metal, and may be from a stack of multiple metal films. The mirror surfaces 202 . 204 may also be a dielectric multilayer reflector formed of silicon dioxide, silicon nitride, sapphire, calcium fluoride or other suitable dielectric film. In operation, between comb-shaped contacts 208 a differential voltage is applied to a piezoelectric strain on the back of the flexure 200 to effect. If the piezoelectric strain is a compressive stress, then the flexure will become 200 bend upwards (over the top surface of the substrate 196 ). If the piezoelectric strain is a tensile stress, then the flexure will become 200 down towards the interior of the cavity 198 bend. Depending on the sign of the comb-shaped contacts 208 applied differential voltage, the tension will be a compressive stress or a tensile stress. In this way, the output optical beam 210 be driven by an angle θ, as shown in the illustration. The angle θ is typically in the range of 17 °, and can be traversed in less than 1 ms, and in some cases less than 100 μs, depending on the particulars of the design.
6E zeigt eine perspektivische Darstellung der in 6B gezeigten Struktur, und das gepixelte Fernfeld-Muster 165, welches mit dem gepulsten Lasersender 168 durchfahren wird. Im Betrieb ermöglichen die Vorteile des Strahllenkungsmechanismusses 70, dass für den gepulsten Lasersender 68 eine viel geringere Spitzenleistung erforderlich ist. Hierbei wird ein 1×8-Zeilenarray von auf einem ersten Substrat 150 angebrachten Kantenstrahllasern 152 gezeigt, eine Stablinse 154 und Biegeelemente 158 mit verspiegelten Oberflächen 160. Der Einfachheit halber wird hier ein 8×8-Fernfeld-Muster 165 gezeigt. Dabei kann die gesamte Energie 164 jedes Kantenstrahllasers 152 auf einen einzelnen Pixel im Bildfeld des Ladarsensors (32, 34) gerichtet werden. Jeder Pixel ist in einem bestimmten festen Winkel angeordnet, wobei die Aufgabe des gepulsten Lasersenders 68 darin besteht, die Pixel im Bildfeld zu beleuchten, wobei der Ladarsensor den Abstand zu jedem auf diese Weise beleuchteten Pixel berechnen wird. In dem Fall eines Festkörperlasers, wie zum Beispiel Neodym-YAG-Erbium-Glas, wird die beleuchtende Energie in einem großen Puls ausgestoßen, wobei das gesamte Fernfeld 165 beleuchtet werden muss. Ein typisches Detektorarray ist ein quadratisches Array aus 128×128 Pixeln, das heißt insgesamt 16384 Pixel. Im Falle eines 1 Millijoule-Lasers würde dies bedeuten, dass etwa 61 Mikrojoule auf jeden Pixel in dem Fernfeld zugeführt wird. Der Vorteil des lenkbaren Lasersenders wird an diesem Beispiel aufgezeigt. Ein 61 Mikrojoule-Halbleiterlaser liegt sicherlich im Bereich des Möglichen, wohingegen ein 1 Millijoule-Halbleiterlaser unter Berücksichtigung des momentanen Standes der Technik relativ unpraktisch wäre. Eine ähnliche Struktur (nicht dargestellt) ist auf der Rückseite auf dem zweiten Substrat 151 zusammengesetzt, was auf wirksame Art und Weise die Breite des beleuchteten Raumes 165 verdoppeln kann. 6E shows a perspective view of in 6B shown structure, and the pixelated far-field pattern 165 , which with the pulsed laser transmitter 168 is passed through. In operation, the advantages of the beam steering mechanism enable 70 that for the pulsed laser transmitter 68 a much lower peak power is required. This will create a 1 × 8 line array of a first substrate 150 mounted edge-beam lasers 152 shown a rod lens 154 and bending elements 158 with mirrored surfaces 160 , For simplicity, here's an 8x8 far-field pattern 165 shown. This can be the entire energy 164 each edge blasting laser 152 to a single pixel in the image field of the ladar sensor ( 32 . 34 ). Each pixel is arranged at a certain fixed angle, the task of the pulsed laser transmitter 68 This is to illuminate the pixels in the image field, and the ladar sensor will calculate the distance to each pixel illuminated in this way. In the case of a solid state laser, such as neodymium YAG erbium glass, the illuminating energy is expelled in a large pulse, with the entire far field 165 must be illuminated. A typical detector array is a 128 x 128 pixel square array, that is, a total of 16384 pixels. In the case of a 1 millijoule laser, this would mean that about 61 microjoules are applied to each pixel in the far field. The advantage of the steerable laser transmitter is shown in this example. A 61 microjoule semiconductor laser is certainly within the range, whereas a 1 millijoule semiconductor laser would be relatively impractical considering the current state of the art. A similar structure (not shown) is on the back side on the second substrate 151 composed, which effectively affects the width of the illuminated space 165 can double.
7A zeigt eine perspektivische Darstellung eines optischen Verstärkerblockes 76, der in dem Ladarsensor-Empfangspfad positioniert werden kann, um schwache optische Rückkehrsignale zu verstärken, welche von entfernten oder wenig reflektierenden Objekten im Bildfeld reflektiert werden. In diesem Fall umfasst der optische Verstärkungsblock ein rechtwinkeliges Faserschmelzbündel 212, welches aus einer Anzahl von individuellen Erbium-dotierten Fasern 216 erzeugt wird. Eine Streuplatte 214 ist an jede der vier Seiten gebondet, welche durch ein Pumplaser-Diodenarray beleuchtet werden. 7A shows a perspective view of an optical amplifier block 76 which can be positioned in the ladar sensor receive path to amplify weak return optical signals which are reflected by distant or poorly reflective objects in the field of view. In this case, the optical amplification block comprises a rectangular fiber melt bundle 212 which consists of a number of individual erbium-doped fibers 216 is produced. A scattering plate 214 is bonded to each of the four sides which are illuminated by a pump laser diode array.
7B zeigt eine perspektivische Darstellung der Anordnung des optischen Verstärkungsblockes 76. Ein Pumplaser-VCSEL-Array 218, bestehend aus einer Anzahl von VCSEL-Lasern 220, ist an eine Subanordnung aus einem Faserschmelzbündel 212 und Streuplatten 214 gebondet. Eingehendes reflektiertes Licht tritt in jede Erbium-dotierte Faser 216 des Faserschmelzbündels 212 an einer exponierten Endfläche ein. Der Faserquerschnitt wird hier als rechtwinkelig oder quadratisch gezeigt, allerdings können auch andere Faserquerschnitte verwendet werden, welche hexagonal, kreisförmig usw. sind. 7B shows a perspective view of the arrangement of the optical amplification block 76 , A pump laser VCSEL array 218 consisting of a number of VCSEL lasers 220 , is to a subassembly of a fiber melt bundle 212 and spreader plates 214 bonded. Incoming reflected light enters each erbium-doped fiber 216 of the fiber melt bundle 212 at an exposed end surface. The fiber cross section is shown here as rectangular or square, but other fiber cross sections may be used, which are hexagonal, circular, etc.
7C zeigt eine Endansicht der vervollständigten Anordnung des optischen Verstärkungsblockes 76, wobei ein Pumplaser-VCSEL-Array 218 gezeigt wird, das an die Außenfläche jeder Streuplatte 214 gebondet ist. Elektrische Kontakte 222 für eine Anode und Kathode jedes individuellen VCSEL 220 des VCSEL-Array 218 sind an die Außenfläche des VCSEL-Arrays 218 mit Hilfe von Durchkontaktierungen gebracht, welche durch das Substrat geätzt und metallbeschichtet sind. Eingehendes reflektiertes Licht tritt in jede Erbium-dotierte Faser 216 des Faserschmelzbündels 212 bei der exponierten Endfläche ein. Der Faserquerschnitt ist hier als rechtwinkelig oder quadratisch gezeigt, jedoch können andere Faserquerschnitte verwendet werden, welche hexagonal, kreisförmig usw. sind. 7C shows an end view of the completed arrangement of the optical amplification block 76 , wherein a pump laser VCSEL array 218 is shown, to the outer surface of each scatter plate 214 is bonded. Electrical contacts 222 for an anode and cathode of each individual VCSEL 220 of the VCSEL array 218 are on the outside surface of the VCSEL array 218 brought by vias, which are etched through the substrate and coated with metal. Incoming reflected light enters each erbium-doped fiber 216 of the fiber melt bundle 212 at the exposed end face. The fiber cross section is shown here as rectangular or square, but other fiber cross sections may be used which are hexagonal, circular, etc.
8 zeigt eine Mittelabschnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform des optischen Verstärkungsblockes 76. Anstelle des Erbium-dotierten Faserbündels 212, welches wie in 7A–C gezeigt seitlich gepumpt wird, pumpt dieses Design die Erbium-dotierten Fasern 216 des Faserschmelzbündels 212 vom Ende her. Ein Empfängergehäuse 224 weist einen zylindrischen Flansch 226 auf, der ein optischer Schnellverschluss ist, und kann Innengewinde zum Anbringen einer externen Linsenanordnung 228 aufweisen. Der zylindrische Flansch 226 kann alternativ eine bajonettartige optische Befestigung bereitstellen, welche über komplementäre Merkmale am Körper der Linsenanordnung 228 in Eingriff gebracht werden kann. Die Linsenanordnung 228 kann eine Mehrzahl von Linsenelementen 230 aufweisen, welche hier als eine konvexe Linse gezeigt sind. Es können allerdings auch andere Linsentypen verwendet werden, einschließlich konkaver, asphärischer und diffraktiver Arrays für das Linsenelement 230. Jedes Linsenelement 230 ist innerhalb einer Ausnehmung 232 angebracht, welche auf einer Innenfläche der Linsenanordnung 228 ausgebildet ist. Eine Mehrzahl von O-Ringen 234 kann verwendet werden, um eine Elastizität zwischen den starren Linsenelementen 230 und dem Metallkörper der Linsenanordnung 228 bereitzustellen. Im Betrieb geht reflektiertes Licht 236 durch die Linsenelemente 230 und das dichroitische optische Planelement 238 hindurch, und trifft auf das Faserschmelzbündel 212. Reflektiertes Licht 236 liegt typischerweise bei der 1,54 μm-Wellenlänge der Erbium-Glas-Laser, oder in dem 1530 bis 1650 nm-Band der im Indiumphosphid ausgebildeten Halbleiterlaser. Das dichroitische optische Planelement 238 lässt ein breites Band an Wellenlängen im Bereich von 1530 bis 1650 μm durch und reflektiert Licht in einem engeren Band um 980 nm. Ein rechtwinkeliges Array von 980 Pumplaserdioden 240 ist in einer Ausnehmung in der Seitenwand des Empfängergehäuses 224 unter einem Winkel zu der Fortpflanzungsrichtung des reflektierten Lichts 236 positioniert. Bei diesem Design ist jedes Element 242 des Laserdiodenarrays 240 ein VCSEL, welches einen optischen Strahl 244 erzeugt, der auf einen Diffusor 246 trifft, und zwar in Antwort auf ein durch elektrische Kontakte 241 zugeführtes elektrisches Antriebssignal. Der Diffusor 246 ist typischerweise ein Beugungsgitter oder ein holographisches Linsenelement, welches das Licht von jedem optischen Strahl 244 gleichmäßig über der Ausgangsfläche des Diffusors 246 verteilt, was hier als eine Anzahl von kleineren optischen Ausgabestrahlen 248 dargestellt ist, wobei jeder aus einem einzelnen Eingangsstrahl 244 erzeugt wurde. Auf diese Art und Weise wird eine äußerst gleichmäßige Säule von Licht erzeugt, welche jede Erbium-dotierte Faser 216 des Faserschmelzbündels 212 gleichmäßig beleuchten wird. Die Ausgabestrahlen 248 treffen auf die Unterseite des dichroitischen optischen Planelements 238 und werden zu der Eingangsseite des Faserschmelzbündels 212 reflektiert. Auf diese Weise werden die Erbium-dotierten Fasern 216, welche zusammen in dem Faserschmelzbündel 212 verschmolzen sind, optisch mit Energie bei einer Wellenlänge von 980 nm gepumpt. Am anderen Ende des Faserschmelzbündels 212 befindet sich ein weiteres dichroitisches optisches Planelement 250, welches ebenso die Eigenschaft hat, ein breites Band an Wellenlängen im Bereich von 1530 bis 1650 μm durchzulassen, und Licht in einem engeren Band um 980 nm herum zu reflektieren. Wenn das abgeschwächte Pumplicht aus dem Faserschmelzbündel 212 austritt, trifft es auf die reflektierende Oberfläche des dichroitischen optischen Planelements 250 und wird durch das Faserschmelzbündel für einen zweiten Durchgang zurückgegeben, wodurch die Wirksamkeit des optischen Pumpprozesses erhöht wird. Das dichroitische optische Planelement 250 lässt außerdem das reflektierte Lichtsignal passieren, welches durch die Erbium-dotierten Fasern 216 verstärkt worden ist, welche als Erbium-dotierte Faserverstärker wirken, die mit Hilfe des Pumplaser-Diodenarrays 240 optisch in einem angeregten Zustand gepumpt wurden. Das Pumplaser-Diodenarray 240 kann 1,2 ms vor der Aussendung eines beleuchtenden Pulses gestartet werden, um das maximale Niveau angeregter Zustände in den Erbium-dotierten Fasern 216 des Faserschmelzbündels 212 zu ermöglichen, um die maximale optische Verstärkung zu erzeugen. Die Fluoreszenzzeit des Erbium-dotiertes Glases beträgt 1,2 ms, so dass die maximale Verstärkung in etwa diesen Vorsprung benötigt bei der zeitlichen Steuerung der Anwendung des elektrischen Antriebssignals, um das Laserdiodenarray 240 über die elektrischen Kontakte 241 zu pumpen. Neue Arten von Erbium-dotierten Fasern, dotiert mit Nanopartikeln, können Dotierniveaus von mehr als 10% aufweisen, im Vergleich zu einem Niveau von 2–3% bei älteren Produkten. Dies ermöglicht eine viel höhere Verstärkung pro Länge der Faser. Erzeugnisse, wie zum Beispiel die DrakaElite-Faser von Draka Communications und QX-Erbium-dotierte Phosphatglasfasern von Kigre Incorporated, zeigen solche Eigenschaften und sind für das vorliegende Design gut geeignet. Außerdem erzeugt ein Verfahren zum Verwenden einer Ytterbium-Dotierung, um die Erbium-Dotierung zu sensibilisieren, und Verwenden von 1480 nm-Pumplicht 26 dB Verstärkung in lediglich 8,8 cm (3,5 Zoll) Faserlänge im L-Band (1575 bis 1630 nm). Dieses Verfahren würde einen Wechsel der Wellenlänge des gepulsten Lasersenders 68 und Änderungen an den dichroitischen optischen Planelementen 238 und 250 erfordern. In der Schrift mit dem Titel „High-Gain Short-Length Phosphate Glass Erbium-Ytterbium-Doped Fiber Amplifyers”, Autoren Ayman M. Samara et al. vom Optoelectronics and Optical Communication Center, Department of Physics, UNC Charlotte, Charlotte, NC, beschreiben die Struktur und die Verfahrensweise, um die Ytterium-sensibilisierten Ebium-dotierten Fasern zu verwenden. Weiterhin wird in dem Paper mit dem Titel „The Gain Performance of Ytterbium Doped Fiber Amplifier”, von Parekhan M. Jaff et al., am Department of Physics, University of Sulaymania, Kurdistan, Irak, die Leistung einer Nur-Ytterbium-dotierten Faser aufgezeigt, welche Verstärkungen von mehr als 20 dB für sehr kurze Faserlängen produziert, wobei sich wiederum die optimale Pumpwellenlänge zu 910 nm und die optimale Pulsübertragungswellenlänge zu 975 nm verschiebt. Wiederum sind Änderungen an der Wellenlänge des gepulsten Lasersenders 68 und Änderungen an den dichroitischen optischen Planelementen 238 und 250 erforderlich. Unter der Voraussetzung geeigneter Niveaus optischen Pumpens, Pumpwellenlänge, Pulsübertragungswellenlänge und Faserzusammensetzung, wird erwartet, dass optische Verstärkungen von mehr als 20 dB mit einer kurzen (< 6 Zoll bzw. 15 cm) Länge einer Erbium-dotierten Faser 216 realisiert werden können. Für noch höhere Verstärkungen können längere Faserabschnitte mit Hilfe des vorliegenden Designs eingesetzt werden. 8th Fig. 12 shows a mid-section view of a second embodiment of the optical amplification block 76 , Instead of the erbium-doped fiber bundle 212 which is like in 7A C-side pumped, this design pumps the erbium-doped fibers 216 of the fiber melt bundle 212 from the end. A receiver housing 224 has a cylindrical flange 226 which is an optical quick-release, and can female thread for attaching an external lens assembly 228 exhibit. The cylindrical flange 226 may alternatively provide a bayonet-type optical attachment which has complementary features on the body of the lens assembly 228 can be engaged. The lens arrangement 228 may be a plurality of lens elements 230 which are shown here as a convex lens. However, other lens types may be used, including concave, aspherical and diffractive arrays for the lens element 230 , Each lens element 230 is inside a recess 232 attached, which on an inner surface of the lens assembly 228 is trained. A plurality of O-rings 234 Can be used to provide elasticity between the rigid lens elements 230 and the metal body of the lens assembly 228 provide. During operation, reflected light is emitted 236 through the lens elements 230 and the dichroic optical plane element 238 through, and hits the fiber bundle 212 , Reflected light 236 typically is at the 1.54 μm wavelength of the erbium glass lasers, or in the 1530 to 1650 nm band of the semiconductor laser formed in the indium phosphide. The dichroic optical plane element 238 allows a wide band of wavelengths in the range of 1530 to 1650 μm and reflects light in a narrower band around 980 nm. A rectangular array of 980 pump laser diodes 240 is in a recess in the side wall of the receiver housing 224 at an angle to the propagation direction of the reflected light 236 positioned. In this design is every element 242 of the laser diode array 240 a VCSEL which has a optical beam 244 generated on a diffuser 246 meets, in response to a through electrical contacts 241 supplied electric drive signal. The diffuser 246 is typically a diffraction grating or a holographic lens element that receives the light from each optical beam 244 evenly over the exit surface of the diffuser 246 distributed what is here as a number of smaller optical output jets 248 is shown, each of a single input beam 244 was generated. In this way, an extremely uniform column of light is created, which is any erbium-doped fiber 216 of the fiber melt bundle 212 illuminate evenly. The output jets 248 hit the bottom of the dichroic optical plane element 238 and become the input side of the fiber melt bundle 212 reflected. In this way, the erbium-doped fibers become 216 which together in the fiber melt bundle 212 fused optically with energy at a wavelength of 980 nm. At the other end of the fiber melt bundle 212 there is another dichroic optical plane element 250 which also has the property of transmitting a broad band of wavelengths in the range of 1530 to 1650 μm and of reflecting light in a narrower band around 980 nm. When the attenuated pump light from the fiber bundle 212 When it emerges, it hits the reflective surface of the dichroic optical plane element 250 and is returned by the fiber bundle for a second pass, thereby increasing the efficiency of the optical pumping process. The dichroic optical plane element 250 also allows the reflected light signal to pass through the erbium-doped fibers 216 which act as Erbium-doped fiber amplifiers, which by means of the pump laser diode array 240 were pumped optically in an excited state. The pump laser diode array 240 can be started 1.2 ms before the emission of an illuminating pulse to the maximum level of excited states in the erbium-doped fibers 216 of the fiber melt bundle 212 to allow for maximum optical gain. The fluorescence time of the erbium-doped glass is 1.2 ms, so the maximum gain requires approximately this projection in the timing of the application of the electrical drive signal to the laser diode array 240 over the electrical contacts 241 to pump. New types of erbium-doped fibers doped with nanoparticles can have doping levels greater than 10%, compared to a level of 2-3% for older products. This allows a much higher gain per length of fiber. Products such as Draka Communications' DrakaElite fiber and Kigre Incorporated's QX erbium-doped phosphate glass fiber exhibit such properties and are well suited to the present design. In addition, a method of using ytterbium doping to sensitize erbium doping and using 1480 nm pump light produces 26 dB gain in only 8.8 cm (3.5 inches) L-band fiber length (1575 to 1630 nm). This method would involve a change in the wavelength of the pulsed laser transmitter 68 and changes to the dichroic optical plan elements 238 and 250 require. In the paper entitled "High-Gain Short-Length Phosphate Glass Erbium Ytterbium Doped Fiber Amplifier", authors Ayman M. Samara et al. from the Optoelectronics and Optical Communication Center, Department of Physics, UNC Charlotte, Charlotte, NC, describe the structure and procedure for using the ytterium-sensitized ebium-doped fibers. Further, in the paper entitled "The Gain Performance of Ytterbium Doped Fiber Amplifier" by Parekhan M. Jaff et al., Department of Physics, University of Sulaymania, Kurdistan, Iraq, the performance of Ytterbium-doped fiber only which produces gains in excess of 20 dB for very short fiber lengths, in turn shifting the optimum pump wavelength to 910 nm and the optimal pulse transmission wavelength to 975 nm. Again, there are changes to the wavelength of the pulsed laser transmitter 68 and changes to the dichroic optical plan elements 238 and 250 required. Assuming appropriate levels of optical pumping, pump wavelength, pulse transmission wavelength, and fiber composition, it is expected that optical gains of greater than 20 dB with a short (<6 inches and 15 cm) length of erbium doped fiber, respectively 216 can be realized. For even higher gains, longer fiber lengths can be used with the present design.
Schließlich tritt das verstärkte reflektierte Licht 236 aus der Ausgangsseite des Faserschmelzbündels 212 aus und fällt auf das Detektorarray 78. In der Darstellung ist das Detektorarray 78 an dem Verstärkerarray 80 befestigt, welches wiederum an einem Schaltkreissubstrat 252 befestigt ist. Das Schaltkreissubstrat 252 wird durch vier Schrauben 254 an Ort und Stelle gehalten, obgleich andere Befestigungsmittel verwendet werden können, einschließlich Vernieten mit deformierbarem Plastik, Reflow-Löten, Nieten, Metallklammern und/oder Klebe-/Epoxid-Systeme. Auf der Rückseite des Schaltkreissubstrats 252 ist der integrierte Ausleseschaltkreis 82 montiert, der über Durchkontaktierungen im Schaltkreissubstrat 252 mit dem Verstärkerarray 80 verbunden ist. Alternativ kann die Fokalebenen-Array(FPA)-Anordnung, welche aus Detektorarray 78, Verstärkerarray 80, Schaltkreissubstrat 252 und Auslese-IC (ROIC) 82 besteht, ersetzt werden durch irgendeine der in 11 bis 17 beschriebenen Optionen einer Anzahl von unterschiedlichen-Optionen.Finally, the amplified reflected light enters 236 from the exit side of the fiber melt bundle 212 off and falls on the detector array 78 , In the illustration is the detector array 78 on the amplifier array 80 attached, which in turn to a circuit substrate 252 is attached. The circuit substrate 252 is by four screws 254 held in place, although other fasteners may be used, including deformable plastic riveting, reflow soldering, rivets, metal clips, and / or adhesive / epoxy systems. On the back of the circuit substrate 252 is the integrated readout circuit 82 mounted, via vias in the circuit substrate 252 with the amplifier array 80 connected is. Alternatively, the focal plane array (FPA) array consisting of detector array 78 , Amplifier array 80 , Circuit substrate 252 and readout IC (ROIC) 82 exists to be replaced by any of the 11 to 17 described options of a number of different options.
9 zeigt eine Mittelabschnittdarstellung einer dritten Ausführungsform des optischen Verstärkungsblockes 76. Das Empfängergehäuse 224, der zylindrische Flansch 226, die Linsenanordnung 228, die Linsenelemente 230, das dichroitische optische Planelement 250, das Schaltkreissubstrat 252, Befestigungsmittel 254, Detektorarray 78, elektronisches Verstärkerarray 80 und der ROIC 82 sind von ähnlichem oder identischem Design wie das Design aus 8, obschon die Länge des Empfängergehäuses 224 reduziert worden ist. Das Faserschmelzbündel 212 ist ersetzt durch ein Vertikalkavität-Halbleiterverstärker(VCSOA)-Array 256. Das VCSOA-Array 256 ist auf einem Indium-Phosphit-Substrat gebildet, wobei die Struktur und Formation detailliert in Verbindung mit 10 beschrieben wird. Bei einem alternativen Design kann das Indium-Phosphit-Substrat durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) entfernt und durch ein optisches Glasplanelement ersetzt werden. Die individuellen VCSOA-Elemente 264 verstärken optisch eingehendes reflektiertes Licht 236. Der VCSOA 264-optische Verstärkungsbereich wird elektrisch über elektrische Verbindungen 258 gepumpt. Elektrische Verbindungen 258 sind in einer bevorzugten Ausführungsform aus einem Flachbandkabel mit einer Isolierung 260 um jeden Leiter der elektrischen Verbindungen 258 hergestellt. Verbindungen an der Rückseite des VCSOA-Arrays 256 sind mit Hilfe von durch das Substrat verlaufenden Durchkontaktierungen 262 hergestellt. Im Betrieb wirkt die dichroitische Platte 250 als ein optischer Filter, der sichtbares und Infrarotlicht aus der Umgebung davon abhält, das Detektorarray 78 zu erreichen. Ein optionaler mechanischer Verschluss 257 kann elektrisch durch einen Aktuator 259 betätigt werden, der mit dem Systemsteuerungsprozessor 58 über einen oder mehrere Drähte 263 verbunden ist, welche durch die Isolierung 261 von dem Gehäuse der Linsenanordnung 228 isoliert sind. Der mechanische Verschluss 257 kann ein Jalousie-Verschluss, ein Rotationsverschluss, ein Klappenverschluss oder ein Gleitverschluss sein. Der Aktuator 259 kann ein Linearaktuator sein, oder ein kleiner elektrischer Motor oder Schrittmotor mit Drehausgabe, abhängig von der Art des in der Ausführungsform spezifizierten Verschlusses. 9 Fig. 12 shows a mid-section of a third embodiment of the optical amplification block 76 , The receiver housing 224 , the cylindrical flange 226 , the lens arrangement 228 , the lens elements 230 , the dichroic optical plan element 250 , the circuit substrate 252 , Fasteners 254 , Detector array 78 , electronic amplifier array 80 and the ROIC 82 are of similar or identical design as the design 8th although the length of the receiver housing 224 has been reduced. The fiber melt bundle 212 is replaced by a vertical cavity semiconductor amplifier (VCSOA) array 256 , The VCSOA array 256 is formed on an indium-phosphite substrate, the structure and formation being described in detail in connection with 10 is described. In an alternative design, the indium-phosphite substrate may be removed by chemical mechanical polishing (CMP) and replaced with a glass optical element. The individual VCSOA elements 264 amplify optically incoming reflected light 236 , The VCSOA 264 -optical gain range is electrically connected via electrical connections 258 pumped. Electrical connections 258 are in a preferred embodiment of a ribbon cable with insulation 260 around every conductor of electrical connections 258 produced. Connections on the back of the VCSOA array 256 are by means of through holes extending through the substrate 262 produced. In operation, the dichroic plate acts 250 as an optical filter that blocks visible and infrared light from the environment thereof, the detector array 78 to reach. An optional mechanical closure 257 can be electrically powered by an actuator 259 which is connected to the system control processor 58 over one or more wires 263 connected by the insulation 261 from the housing of the lens assembly 228 are isolated. The mechanical closure 257 can be a shutter, a rotary shutter, a flap closure or a slide closure. The actuator 259 may be a linear actuator, or a small rotary electric motor or stepper motor, depending on the type of shutter specified in the embodiment.
10A zeigt eine Mittelabschnittdarstellung eines VCSOA-Elements 264. Eingehendes reflektiertes Licht 236 tritt durch eine Antireflexions(AR)-Beschichtung 266 in das VCSOA ein, und geht durch das Substrat 268 hindurch, welches in dem Phosphit sein kann, oder in einer alternativen Ausführungsform ein optisches Planelement. Ein Bragg-Spiegel (DBR) 270 am oberen Bereich der Kavität schwächt das reflektierte Licht 236 ab, bevor es in den Verstärkungsbereich 272 eintritt, welcher ein Quantentopf(NQW)-Material ist, das auf die Wellenlänge der Lichtpuls-Übertragung und -Reflexion abgestimmt ist. Das reflektierte Lichtsignal 236 wird dann in dem Verstärkungsbereich verstärkt, der elektrisch über die elektrische Anode 278- und Kathode 280-Kontakte elektrisch gepumpt worden ist. Ein DBR 274 am Boden der Kavität sperrt die optische Mode ein, wobei Mehrfachdurchgänge durch den Verstärkungsbereich zugelassen werden, was eine Art Resonanzverstärker erzeugt. Schließlich stellt eine AR-Beschichtung 276 eine optimale Transmission für das Detektorarray 78 bereit. Mit etwas Vorsicht muss vorgegangen werden, um die Kavität nicht zu stark zu pumpen, da ansonsten eine Laser-Mode angeregt werden kann. Die Struktur kann die eines VCSEL sein, der unterhalb des Laser-Schwellenwertes betrieben wird. Die DBRs können in Indiumphosphid (InP) ausgebildet sein, welches dotiert worden ist, um einen kontrastierenden Brechungsindex zu erzeugen, oder die Struktur kann in Indiumgalliumarsenid (InGaAs), Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN) oder einem anderen geeigneten Opto-Halbleiter ausgebildet sein, und zwar in Abhängigkeit von der Transmissionswellenlänge. 10A shows a midsection representation of a VCSOA element 264 , Incoming reflected light 236 passes through an anti-reflection (AR) coating 266 into the VCSOA, and goes through the substrate 268 which may be in the phosphite or, in an alternative embodiment, an optical planar element. A Bragg mirror (DBR) 270 at the upper part of the cavity, the reflected light weakens 236 off before entering the reinforcement area 272 which is a quantum well (NQW) material tuned to the wavelength of light pulse transmission and reflection. The reflected light signal 236 is then amplified in the gain region that is electrically across the electrical anode 278 and cathode 280 Contacts has been electrically pumped. A DBR 274 at the bottom of the cavity, the optical mode locks in, permitting multiple passes through the gain region, creating a kind of resonance amplifier. Finally, it provides an AR coating 276 an optimal transmission for the detector array 78 ready. Care must be taken with caution not to pump the cavity too much, otherwise a laser mode can be excited. The structure may be that of a VCSEL operating below the laser threshold. The DBRs may be formed in indium phosphide (InP) which has been doped to produce a contrasting refractive index, or the structure may be formed in indium gallium arsenide (InGaAs), gallium arsenide (GaAs), gallium nitride (GaN), or other suitable opto-semiconductor be, depending on the transmission wavelength.
10B zeigt die Art und Weise, in der die VCSOA-Elemente 264 durch Waferbonding gebildet werde können. Bei diesem Prozess ist ein optisches Planelement 268 der Ausgangspunkt, wobei eine AR-Beschichtung 266 auf der oberen Oberfläche abgeschieden wird. Auf der unteren Oberfläche des optischen Planelements 268 wird durch abwechselnde Schichten eines dielektrischen Materials ein oberster DBR 270 gebildet, wobei das dielektrische Material ein beliebiges optisches Material sein kann, wie zum Beispiel Borsilikatglass, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Titanoxid, Magnesiumfluorid, Zinksulfid, Indiumantimonid usw. Diese Schichten werden typischerweise durch physische Dampfabscheidung (PVD) aufgebracht. Ein InP-Wafer mit einem Quantentopf-Verstärkungsbereich 272 auf seiner oberen Oberfläche wird dann an die Unterseite des optischen Planelements 268 gebondet, wobei der Großteil des freigelegten InP-Substrats dann mit Hilfe von CMP entfernt wird. Ein unterer DBR 274 wird dann durch abwechselnde Schichten dielektrischen Materials auf eine ähnliche Art und Weise wie der obere DBA 270 gebildet. Schließlich wird eine AR-Beschichtung 276 aufgebracht, Mesa-Strukturen geätzt und ein Metallmuster abgeschieden, um elektrische Anode 278- und Kathode 280-Kontakte zu bilden. 10B shows the way in which the VCSOA elements 264 can be formed by wafer bonding. In this process is an optical plan element 268 the starting point, being an AR coating 266 is deposited on the upper surface. On the lower surface of the optical plane element 268 becomes a top DBR by alternating layers of a dielectric material 270 The dielectric material may be any optical material, such as borosilicate glass, silicon dioxide, silicon nitride, titanium oxide, magnesium fluoride, zinc sulfide, indium antimonide, etc. These layers are typically deposited by physical vapor deposition (PVD). An InP wafer with a quantum well gain region 272 on its upper surface is then attached to the bottom of the optical plane element 268 Bonded with the majority of the exposed InP substrate is then removed using CMP. A lower DBR 274 is then replaced by alternating layers of dielectric material in a similar manner to the upper DBA 270 educated. Finally, an AR coating 276 Applied, etched mesa structures and a metal pattern deposited to electrical anode 278 and cathode 280 To form contacts.
11 zeigt eine Mittelabschnittdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Fokalebenen-Arrays mit einem Detektorarray 78. Bei dieser Ausführungsform wird das Detektorarray 78 auf einem kostengünstigen Galliumarsenid(GaAs)-Substrat 282 gebildet. Eine dünne metamorphe Schicht 284 aus gradiertem Indiumgalliumaluminiumarsenid (InGaAlAs) auf dem GaAs-Substrat gewachsen, um ein an das InGaAs angepasstes Kristallstrukturgitter zu erzeugen. Eine dünne Schicht aus InGaAs 286 wird dann epitaktisch gewachsen. Schließlich wird ein Stapel aus epitaktischen Schichten aus InGaAs gewachsen, und dann als p-Typ, n-Typ oder intrinsisch dotiert. Dieser Schichtstapel wird dann zur Bildung der Mesas (Mesa-Strukturen) 288 geätzt. Der epitaktische Stapel kann einen PIN-, NIP- oder APD-Detektortyp bereitstellen. Gezeigt ist eine n-up-PIN-Konfiguration, wobei das n-Typ-Material durch das Substrat hindurch beleuchtet wird, und das p-Typ-Material am Scheitelpunkt jeder Mesa-Struktur 288. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in dieser 12 Detektoren dargestellt, obwohl ein Array mit 128×128 Detektorelementen 288 typisch ist. Metall wird dann in einem Gittermuster abgeschieden, wobei ein gemeinsamer Kathodenkontakt 290 erzeugt wird. Die Anodenverbindungen jedes Detektorelements 288 werden durch Indiumbumps 292 zu einem Verstärkereingang einer Einheitszelle des integrierten Ausleseschaltkreises (ROIC) 82 hergestellt. Die Indiumbumps 292 können kalt-gebondet sein, oder können in einer alternativen Ausführungsform zur Herstellung der elektrischen Verbindungen mit Wiederaufschmelzlöten (Reflow-Löten) erzeugt werden. Der integrierte Ausleseschaltkreis 82 weist eine Anzahl von durch das Substrat hindurchgehenden Durchkontaktierungen (TSVs) 294 auf, welche die Verschaltung auf der Oberseite des ROIC 82 mit der Rückseite verbinden. Es können Bondpads 296 verwendet werden, um über Drahtbonds 298 einige elektrische Verbindungen mit Leitpads 300 auf einem Unterstützungsschaltkreissubstrat 302 herzustellen. Weitere elektrische Verbindungen werden von dem ROIC 82 zu dem Schaltkreissubstrat 302 mit Hilfe von Lötkugeln 304 hergestellt. Der ROIC 82-Die kann eutektisch an dem Schaltkreissubstrat 302 angebracht werden über Lotmaterial 306 oder alternativ durch ein thermisch leitfähiges Epoxidmaterial. 11 shows a mid-section view of a preferred embodiment of a focal plane array with a detector array 78 , In this embodiment, the detector array becomes 78 on a low-cost gallium arsenide (GaAs) substrate 282 educated. A thin metamorphic layer 284 grown from graded indium gallium aluminum arsenide (InGaAlAs) on the GaAs substrate to produce a crystal structure lattice matched to the InGaAs. A thin layer of InGaAs 286 is then grown epitaxially. After all For example, a stack of InGaAs epitaxial layers is grown and then doped as p-type, n-type, or intrinsically doped. This layer stack is then used to form the mesas (mesa structures) 288 etched. The epitaxial stack may provide a PIN, NIP or APD detector type. Shown is an n-up PIN configuration wherein the n-type material is illuminated through the substrate and the p-type material at the apex of each mesa structure 288 , For the sake of clarity are in this 12 Detectors shown, although an array of 128 × 128 detector elements 288 typical. Metal is then deposited in a grid pattern creating a common cathode contact 290. The anode connections of each detector element 288 be through indium bumps 292 to an amplifier input of a unit cell of the integrated readout circuit (ROIC) 82 produced. The indium bumps 292 may be cold-bonded, or may be produced in an alternative embodiment to make the electrical connections with reflow soldering. The integrated readout circuit 82 has a number of through holes (TSVs) passing through the substrate 294 on which the interconnection is on top of the ROIC 82 connect with the back. There may be bond pads 296 used to over wire bonds 298 some electrical connections with conductive pads 300 on a back-up circuit substrate 302 manufacture. Other electrical connections are made by the ROIC 82 to the circuit substrate 302 with the help of solder balls 304 produced. The ROIC 82 This can be eutectic on the circuit substrate 302 be attached over solder material 306 or alternatively by a thermally conductive epoxy material.
12 zeigt eine Mittelabschnittdarstellung eines bevorzugten Packaging-Designs eines Fokalebenen-Arrays mit einem Detektorarray 78. Das Detektorarray 78 kann ein rechtwinkeliges M×N-Array sein, wobei N und M irgendwo zwischen zwei bis mehreren hundert Pixeln entlang jeder Achse sein können. Das Schaltkreissubstrat 302 ist typischerweise eine Keramik: Entweder Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Berryliumoxid, und zwar in Abhängigkeit von der Anwendung. Ein Leiter 314 wird typischerweise mit Hilfe eines additiven Dickschichtprozesses gebildet, wobei leitfähige Tinten durch eine Siebdruckmaske oder eine Schablone aufgetragen werden und dann bei einer erhöhten Temperatur eingebrannt werden. Der Leiter 314 kann außerdem in einem Dünnschichtprozess gebildet werden, wo die gesamte obere Oberfläche des Schaltkreissubstrats 302 durch einen leitfähigen Film bedeckt wird, der durch Sputtern oder physische Dampfabscheidung (PVD) abgeschieden wird. Die Oberfläche des Schaltkreissubstrats 302 wird dann mit einem Fotolack strukturiert und geätzt, wie bei einem typischen Prozess für eine gedruckte Schaltkreisplatine (PCB). eine Dickfilmisolierschicht 308 wird dann unter Verwendung von Siebdruck oder Schablone gedruckt und eingebrannt. In der Isolierschicht 308 werden Öffnungen für gefüllte leitfähige Durchkontaktierungen 310 gelassen, welche dann in dem gleichen Schritt wie ein Bildrahmen-geformtes leitfähiges Pad 312 gedruckt und eingebrannt werden. Der ROIC 82 mit dem angebrachten Detektorarray 78 wird dann eutektisch an dem Schaltkreissubstrat 302 mit Lotmaterial 306 oder alternativ mit einem thermisch leitfähigen Epoxidmaterial angebracht. Elektrische Verbindungen werden von dem ROIC 82 zu dem Schaltkreissubstrat 302 über Lötkugeln 304 hergestellt, welche vor dem Verschließen der Anordnung in Form von Lötpaste aufgetragen werden. Als Nächstes wird eine hermetische Fensterabdeckung, welche aus einem in einem CoVar®-Rahmen 318 gehaltenen flachen Fensterglas 320 besteht, mit Hilfe einer kontinuierlichen Lötraupe 316 angebracht. Der Rahmen 318 ist für eine verbesserte Lötbarkeit Nickel- und Gold-beschichtet. Das Fensterglas 320 muss nicht eben sein, sondern kann eine linsenförmige Krümmung aufweisen. Das Fensterglas 320 kann außerdem einen auf einer Oberfläche in der Form eines dünnen optischen Films aufgebrachten Filter aufweisen, welcher das gesamte Licht bis auf eine Wellenlänge von Interesse zurückweist: Typischweise 1,54 bis 1,57 μm bei der vorliegenden Ausführungsform. Der Rahmen 318 kann durch Extrudieren oder maschinelle Bearbeitung gebildet werden, oder kann in einem Tiefziehverfahren gebildet werden, wo er einen größeren Radius in der Ecke aufweisen kann, wo er mit dem Fensterglas 320 zusammenkommt, und somit die Gestalt einer rechteckigen Wanne annimmt. Das Fensterglas 320 wird am Rahmen 318 mit Hilfe eines Frittenabdichtungsverfahrens angebracht, wo eine Niedrigtemperatur-Glaslegierung in einer Frittenpulverform aufgebracht wird und die Anordnung dann erhitzt wird, bis das Glasfrittenpulver wieder aufschmilzt, so dass das Fensterglas 320 dauerhaft am Rahmen 318 angebracht ist. Auf diese Art und Weise kann ein kostengünstiges, aber dennoch hermetisches und hochleistungsfähiges Gehäuse für die FPA-Anordnung hergestellt werden. 12 shows a mid-section view of a preferred packaging design of a focal plane array with a detector array 78 , The detector array 78 may be a rectangular M × N array, where N and M may be anywhere between two to several hundred pixels along each axis. The circuit substrate 302 is typically a ceramic: either aluminum oxide, aluminum nitride or beryllium oxide, depending on the application. A leader 314 is typically formed using an additive thick film process wherein conductive inks are applied through a screen mask or stencil and then baked at an elevated temperature. The leader 314 can also be formed in a thin film process where the entire top surface of the circuit substrate 302 is covered by a conductive film deposited by sputtering or physical vapor deposition (PVD). The surface of the circuit substrate 302 is then patterned and etched with a photoresist, as in a typical process for a printed circuit board (PCB). a thick film insulating layer 308 is then printed and baked using screen printing or stencil. In the insulating layer 308 become openings for filled conductive vias 310 which is then in the same step as a picture frame shaped conductive pad 312 printed and baked. The ROIC 82 with the attached detector array 78 then becomes eutectic on the circuit substrate 302 with solder material 306 or alternatively with a thermally conductive epoxy material. Electrical connections are made by the ROIC 82 to the circuit substrate 302 over solder balls 304 made, which are applied before closing the assembly in the form of solder paste. Next, a hermetic window covering consisting of an ® in a CoVar frames 318 held flat window glass 320 exists, with the help of a continuous solder caterpillar 316 appropriate. The frame 318 is nickel and gold coated for improved solderability. The window glass 320 does not have to be flat, but may have a lenticular curvature. The window glass 320 may also have a filter applied on a surface in the form of a thin optical film, which rejects all the light to a wavelength of interest: typically 1.54 to 1.57 microns in the present embodiment. The frame 318 may be formed by extrusion or machining, or may be formed in a deep drawing process where it may have a larger radius in the corner where it joins the window glass 320 comes together, and thus takes the form of a rectangular tub. The window glass 320 will be on the frame 318 by means of a frit sealing process, where a low temperature glass alloy is applied in a frit powder mold and the assembly is then heated until the glass frit powder melts again, leaving the window glass 320 permanently on the frame 318 is appropriate. In this way, a low cost, yet hermetic and high performance package for the FPA assembly can be made.
13 zeigt eine Mittelabschnittdarstellung einer weiteren bevorzugten Packaging-Ausführungsform eines FPA mit einem Detektorarray 78, welcher ein Verstärkerarray umfasst, um den Eingangsverstärker, der jeder Einheitszelle des ROIC 82 zugeordnet ist, zu ersetzen und zu erweitern. Der Unterschied zu der Ausführungsform der 12 besteht in einer einfachen Änderung, wobei der ROIC 82 zur Rückseite des Schaltkreissubstrats 302 verlagert ist, während der Detektor nunmehr auf einem zweidimensionalen Verstärkerarray 80 positioniert ist. Der ROIC 82 wird typischerweise in einem Hochgeschwindigkeits-CMOS-Verfahren hergestellt. Das verwendete Verfahren weist eine sehr hohe Dichte auf, wobei ein Großteil des verfügbaren Einheitszellenbereiches durch Abtastverschaltungen und analoge Speicherzellen aufgebracht wird. Dies beschränkt die Schaltkreis-Designer in ihren Möglichkeiten, einen Transimpedanz-Verstärker mit hoher Verstärkung von der Art zu realisieren, die in dem Verstärkerarray 80 in der vorliegenden Ausführungsform verkörpert ist. Das Verstärkerarray 80 führt zwei wichtige Funktionen aus: Die erste besteht in der Verstärkung der von den Detektorelementen 288 empfangenen Niedrigniveau-Fotoströmen. Da die für das Verstärkerarray 80 ausgewählte Technologie ein BiCMOS-Verfahren ist, sind Verstärkerschaltkreise mit hoher Vorwärtsverstärkung möglich. Die Verfügbarkeit des gesamten Einheitszellenbereiches für den Transimpedanz-Verstärker bedeutet, dass ein ausreichender Bias-Strom verfügbar ist, um die gewünschte Verstärkung zu erzeugen, ohne Leistungsdichte-Regeln für die Herstellung des Verstärkerarrays 80 zu verletzen. Die zweite von dem Verstärkerarray 80 ausgeführte wichtige Funktion besteht in der Transformation der Ausgabeimpedanz der Detektorelemente 288 von einer sehr hohen Impedanz zu einer viel geringeren Impedanz, welche für eine Transmission durch das Substrat 302 geeignet ist. Das Design der Pixelverstärkerverschaltung des Verstärkerarrays 80 wird in Verbindung mit 17 erörtert. Jeder Pixelverstärker des Verstärkerarrays 80 weist einen Eingang auf, der mit einem Anschluss eines Detektorelements 288 des Detektorarrays 78 durch eine Indiumkugel oder eine Lötkugel 330 verbunden ist, und weist typischerweise einen Einfach-endigen Ausgang auf, der über eine TSV 322 mit einer Lötkugel 324 auf der Rückseite verbunden ist. Die Lötkugel 324 wird wieder aufgeschmolzen, um sie mit einer zweiten TSV 326 in dem Schaltkreissubstrat 302 zu verbinden, das durch eine weitere Lötkugel 328 mit einem Eingang eines elektrischen Einheitszellenschaltkreises des ROIC 82 verbunden ist. Elektrische Verbindungen mit dem Verstärkerarray 80 können über Metallpads 314 oder TSVs 326 hergestellt werden, nachdem das Gehäuse wie in Bezug auf 12 beschrieben zusammengesetzt und abgedichtet ist. Das Schaltkreissubstrat 302 ist typischerweise eine Dickschichtkeramik: Entweder Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Berryliumoxid, abhängig von der Anwendung, kann aber auch ein Dünnschichtschaltkreis sein. Wie in 12 ist eine hermetische Fensterabdeckung, welche aus einem in einem CoVar®-Rahmen 318 gehaltenen ebenen Fensterglas 320 besteht, mit Hilfe einer kontinuierlichen Lötraupe angebracht. 13 Figure 12 shows a mid-section view of another preferred packaging embodiment of an FPA with a detector array 78 comprising an amplifier array around the input amplifier of each unit cell of the ROIC 82 is assigned, replace and expand. The difference to the embodiment of the 12 consists in a simple change, the ROIC 82 to the back of the circuit substrate 302 while the detector is now on a two-dimensional amplifier array 80 is positioned. The ROIC 82 is typically made in a high speed CMOS process. The method used has a very high density, with much of the available unit cell area is applied by sense connections and analog memory cells. This limits the circuit designers in their ability to realize a high gain transimpedance amplifier of the type that is used in the amplifier array 80 embodied in the present embodiment. The amplifier array 80 performs two important functions: the first is the amplification of the detector elements 288 received low-level photo streams. As for the amplifier array 80 If selected technology is a BiCMOS method, amplifier circuits with high forward gain are possible. The availability of the entire unit cell range for the transimpedance amplifier means that sufficient bias current is available to produce the desired gain, without power density rules for the manufacture of the amplifier array 80 to hurt. The second of the amplifier array 80 The important function performed is to transform the output impedance of the detector elements 288 from a very high impedance to a much lower impedance, which allows for transmission through the substrate 302 suitable is. The design of the pixel amplifier circuitry of the amplifier array 80 will be in contact with 17 discussed. Each pixel amplifier of the amplifier array 80 has an input connected to a terminal of a detector element 288 of the detector array 78 by an indium ball or a solder ball 330 is connected, and typically has a single-ended output that passes through a TSV 322 with a solder ball 324 connected to the back. The solder ball 324 is melted again to give it a second TSV 326 in the circuit substrate 302 to connect that through another solder ball 328 to an input of a unit electrical cell circuit of the ROIC 82 connected is. Electrical connections to the amplifier array 80 can over metal pads 314 or TSVs 326 be made after the housing as in relation to 12 is composed and sealed. The circuit substrate 302 is typically a thick film ceramic: either aluminum oxide, aluminum nitride or beryllium oxide, depending on the application, but may also be a thin film circuit. As in 12 is a hermetic window covering, which consists of one in a CoVar ® frame 318 kept flat window glass 320 consists, attached by means of a continuous solder bead.
14 zeigt eine Mittelabschnittdarstellung einer weiteren bevorzugten Fokalebenen-Array-Ausführungsform, welche ein Detektorarray 78 verwendet, das aus einem zweidimensionalen Array diskreter Detektorelemente 332 besteht. Jedes diskrete Detektorelement 332 wird durch epitaktisches Wachsen von p-Typ-, n-Typ- und intrinsischen Schichten von InGaAs auf einem InP-Substrat unter Verwendung herkömmlicher Verfahren gebildet, wobei Mesas durch Ätzen in den „Straßen” zwischen den Detektorelementen 332 gebildet werden. Die diskreten Detektorelemente 332 werden dann getestet und markiert und durch Anritzen und Brechen oder durch Zerschneiden vereinzelt. Individuelle Detektorelemente 332 können in der vorliegenden Ausführungsform so klein sein wie 0,2 bis 0,4 mm. Die gezeigten diskreten Detektorelemente 332 weisen auf der oberen Oberfläche sowohl Anoden- und Kathoden-Kontakte auf, welche mit Hilfe von durch das Substrat hindurchgehenden Durchkontaktierungen 352 oder durch laterale Bearbeitung der n-Typ und p-Typ-Schichten erzeugt werden können. Die individuellen Detektorelemente 332 können leistungsgradiert sein und werden dann mit Hilfe eines Bestückungsroboters auf dem Verstärkerarray 80 platziert. Moderne Bestückungsroboter weisen sehr hohe Durchsätze auf und sind in der Lage, Komponenten mit Merkmalen so klein wie 0,2 mm zu handhaben. Jedes Detektorelement 332 ist mit einem Pixelverstärker 336 des Verstärkerarrays 80 über Lötkugeln 334 verbunden. Die Lötkugeln 334 verbinden die Anode und die Kathode des Detektorelements 332 mit einem Pixelverstärkereingang und einem Biasspannungausgang, der durch den Pixelverstärker zu dem Detektorelement 332 zugeteilt wird. Eine durch das Substrat hindurchgehende Durchkontaktierung 338 verbindet die Pixelverstärkerausgänge mit der Rückseite des Verstärkerarrays 80, wo es über eine Lötkugel 340 mit einem Metallpad 342 auf dem Schaltkreissubstrat 302 verbunden ist. Eine durch das Substrat hindurchgehende Durchkontaktierung 344 verbindet Metallpads 342 mit der Rückseite des Substrats 302 und mit Metallpads 346. Die Metallpads 346 sind über Lötkugeln 348 mit einem elektrischen Einheitszellenschaltkreis des Auslese-IC 82 verbunden. In den Lücken zwischen diskreten Detektorelementen 332 wird eine kohlenstoffbeladene Epoxidtinte 354 verteilt und ausgehärtet, was eine optische Isolierung zwischen den Detektorelementen 332 des Detektorarrays 78 bereitstellt. Aus diesem Grund ist die Möglichkeit eines optischen Übersprechens zwischen Pixeln in dem Bild deutlich reduziert. Die Epoxidtinte 354 kann auf dieselbe Art und Weise wie Fotolack aufgebracht, fotobelichtet und entwickelt werden, oder kann unter Verwendung einer Spritze und eines Roboter-Translationstisches aufgebracht werden. Die Epoxytinte 354 kann in einer alternativen Ausführungsform mit weiteren IR-absorbierenden Materialien, wie zum Beispiel Germanium usw., beladen sein. Die Metallpads 350 stellen einen Ort für den Rahmen 318 der hermetischen Fensterabdeckung bereit, um an Ort und Stelle verlötet zu werden, wie es in 12 und 13 gezeigt ist. Deshalb wird der reflektierte Lichtpuls detektiert und in ein elektrisches Signal umgewandelt, verstärkt und für eine Transmission durch ein unterstützendes Schaltkreissubstrat konditioniert wird, und mit dem Eingang eines Auslese-IC verbunden, der für eine Verstärkung, einen Schwellenwert und eine digitale Abtastung der analogen Wellenform des reflektierten Lichtpulses designed ist. All dies wird auf optimale Art und Weise durch die Struktur aus 14 erreicht. 14 FIG. 12 shows a mid-section view of another preferred focal plane array embodiment including a detector array. FIG 78 used, consisting of a two-dimensional array of discrete detector elements 332 consists. Each discrete detector element 332 is formed by epitaxially growing p-type, n-type and intrinsic layers of InGaAs on an InP substrate using conventional techniques, where mesas are etched in the "streets" between the detector elements 332 be formed. The discrete detector elements 332 are then tested and marked and separated by scratching and breaking or by cutting. Individual detector elements 332 may be as small as 0.2 to 0.4 mm in the present embodiment. The shown discrete detector elements 332 For example, on the top surface, both anode and cathode contacts are formed by vias that pass through the substrate 352 or can be generated by lateral processing of the n-type and p-type layers. The individual detector elements 332 can be power graded and then using a placement robot on the amplifier array 80 placed. Modern placement robots have very high throughputs and are able to handle components with features as small as 0.2 mm. Each detector element 332 is with a pixel amplifier 336 of the amplifier array 80 over solder balls 334 connected. The solder balls 334 connect the anode and the cathode of the detector element 332 with a pixel amplifier input and a bias voltage output passing through the pixel amplifier to the detector element 332 is allocated. A through-hole through the substrate 338 connects the pixel amplifier outputs to the back of the amplifier array 80 where there is a solder ball 340 with a metal pad 342 on the circuit substrate 302 connected is. A through-hole through the substrate 344 connects metal pads 342 with the back of the substrate 302 and with metal pads 346 , The metal pads 346 are over solder balls 348 with a read-only IC unit cell circuit 82 connected. In the gaps between discrete detector elements 332 becomes a carbon-loaded epoxy ink 354 distributed and cured, resulting in optical isolation between the detector elements 332 of the detector array 78 provides. For this reason, the possibility of optical crosstalk between pixels in the image is significantly reduced. The epoxy ink 354 can be applied, photo-exposed and developed in the same manner as photoresist, or can be applied using a syringe and a robotic translation stage. The epoxy ink 354 may be loaded in an alternative embodiment with other IR-absorbing materials such as germanium, etc. The metal pads 350 Make a place for the frame 318 the hermetic window cover ready to be soldered in place as it is in 12 and 13 is shown. Therefore, the reflected light pulse is detected and converted into an electrical signal, amplified and conditioned for transmission through a supporting circuit substrate, and connected to the input of a readout IC for gain, threshold, and digital Scanning the analog waveform of the reflected light pulse is designed. All of this is optimally characterized by the structure 14 reached.
15A zeigt eine Mittelabschnittdarstellung einer bevorzugten Detektorarray 78-Ausführungsform, welche in der FPA-Packaging-Ausführungsform der 13 umgesetzt ist. Das Detektorarray 78 wird mit Hilfe einer Waferbondingtechnik hergestellt. Ein hochdotiertes p-Typ InP-Substrat 364 weist eine InGaAs-PIN-Struktur auf, die darauf epitaktisch gebildet ist, mit einer n-Typ-Schicht 358 über der intrinsischen Schicht 360 gewachsen, welcher über der p-Typ-Schicht 362 gebildet ist. Dieses InP-Substrat 364 wird dann unter Verwendung von hydrophilem Bonden bei hoher Temperatur an den Siliziumwafer 356 gebondet, oder mit Hilfe eines Raumtemperatur-Verfahrens unter Verwendung von Oberflächenaktivierung. Das Raumtemperatur-Verfahren wird bevorzugt und ist eine Funktion der Waferbondinganlage von Mitsubishi, MWB 04/06E. 15B zeigt den nächsten Schritt in der Bearbeitung des Arrays, wobei der Großteil des InP-Substrats durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) entfernt wurde. Unten in 15B ist der verbliebene Halbleiterfilm des p-Typ-InP 364 gezeigt, der das CMP-Ausdünnverfahren überstanden hat. Diese Entfernung von Material ermöglicht die Bildung von Mesa-Strukturen 366 durch Strukturieren und Ätzen des gebondeten Wafers unter Verwendung herkömmlicher Halbleiterverfahrentechniken, wie es in 15C gezeigt ist. Schließlich werden Ohmsche Kontakte gebildet, und es werden Metallelektroden sowohl für die gemeinsamen Kathode 368- und die individuellen Anode 370-Kontakte für jedes Detektorelement 288 des Detektorarrays 78 abgeschieden. Die bevorzugte Metallisierung ist Ti/Pt/Au, obwohl Ti/Me/Au oder andere Anordnungen verwendet werden können. Die Struktur kann invertiert sein, oder kann für eine größere Empfindlichkeit eine Avalanche-Fotodiode sein. Im Betrieb wird eine positive Biasspannung von 2 bis 10 Volt Gleichspannung an die Kathode jedes Detektorelements 288 über die Kathodenkontakte 368 angelegt, die am Rand des Arrays und in den Lücken zwischen den Mesas sichtbar sind, welche ein 2D-Gittermuster bilden. Der Anodenkontakt 370 wird mit dem Eingang eines Pixelverstärkers verbunden, wobei die PIN-Diode in einer Revers-Bias-Betriebsart betrieben wird. Dieses InGaAs-PIN auf dem Silizium-Detektorarray 78 ermöglicht ein vereinfachtes und zuverlässigeres Herstellungsverfahren. Normalerweise müssen InGaAs-PIN-Dioden auf einem Gitter-angepassten InP-Substrat aufgewachsen werden. Allerdings weist der Silizium-ROIC 82, an den das Detektorarray 78 dann gebondet wird, einen viel unterschiedlicheren Koeffizienten der thermischen Expansion (CTE) auf als das InP. Da Servicetemperaturen über einen 100°C-Bereich variieren können, können seitliche Verspannungen akkumulieren und Lötverbindungen in einem herkömmlichen InP/Silizium-ROIC-Hybrid-FPA aufbrechen. Indium verbleibt selbst bei sehr niedrigen Temperaturen von –55°C verformbar, weshalb ein Indiumbond eine bevorzugte Option in einer typischen InP/Silizium-ROIC-Kombination ist. Das neue Design der 15 erzeugt ein Hybrid-In-GaAs-Detektorarray 78 auf einem Siliziumsubstrat 356, welches den CTE von Silizium aufweist, was die Verwendung von herkömmlichen Löttechniken für ein Bonden des Detektorarrays 78 an den Silizium-ROIC 82 bzw. das Verstärkerarray 80 ermöglicht. 15A shows a midsection representation of a preferred detector array 78 Embodiment, which in the FPA packaging embodiment of the 13 implemented. The detector array 78 is made using a wafer bonding technique. A highly doped p-type InP substrate 364 has an InGaAs PIN structure epitaxially formed thereon with an n-type layer 358 above the intrinsic layer 360 grown, which over the p-type layer 362 is formed. This InP substrate 364 is then bonded to the silicon wafer using high temperature hydrophilic bonding 356 bonded, or by means of a room temperature method using surface activation. The room temperature method is preferred and is a function of the Mitsubishi wafer bonding machine, MWB 04 / 06E. 15B shows the next step in the processing of the array, with most of the InP substrate removed by chemical mechanical polishing (CMP). Down in 15B is the remaining semiconductor film of the p-type InP 364 shown to have survived the CMP thinning process. This removal of material allows the formation of mesa structures 366 by patterning and etching the bonded wafer using conventional semiconductor processing techniques, as disclosed in US Pat 15C is shown. Finally, ohmic contacts are formed, and there are metal electrodes for both the common cathode 368 - and the individual anode 370 Contacts for each detector element 288 of the detector array 78 deposited. The preferred metallization is Ti / Pt / Au, although Ti / Me / Au or other arrangements may be used. The structure may be inverted or, for greater sensitivity, may be an avalanche photodiode. In operation, a positive bias voltage of 2 to 10 volts DC is applied to the cathode of each detector element 288 via the cathode contacts 368 which are visible at the edge of the array and in the gaps between the mesas that form a 2D grid pattern. The anode contact 370 is connected to the input of a pixel amplifier, wherein the PIN diode is operated in a reverse bias mode. This InGaAs PIN on the silicon detector array 78 allows a simplified and more reliable manufacturing process. Typically, InGaAs PIN diodes must be grown on a lattice-matched InP substrate. However, the silicon ROIC points 82 to which the detector array 78 then bonded, a much more different coefficient of thermal expansion (CTE) than the InP. Since service temperatures can vary over a 100 ° C range, side tensions can accumulate and break solder joints in a conventional InP / Silicon ROIC hybrid FPA. Indium remains deformable even at very low temperatures of -55 ° C, which is why an indium bond is a preferred option in a typical InP / silicon ROIC combination. The new design of the 15 generates a hybrid in GaAs detector array 78 on a silicon substrate 356 , which has the CTE of silicon, allowing the use of conventional soldering techniques for bonding the detector array 78 to the silicon ROIC 82 or the amplifier array 80 allows.
16 zeigt eine Draufsicht auf das Packaging bzw. Gehäuse aus 13 mit entfernter Fensterabdeckung. Das Schaltkreissubstrat 302 weist ein Bildrahmen-förmiges Metallisierungsmuster 312 auf, das geeignet ist, um den Rahmen 318 der Fensterabdeckung an Ort und Stelle anzulöten. Das Detektorarray 78 ist an das Verstärkerarray 80 gebondet, wobei eine Anzahl von Kondensatoren 372 innerhalb des Gehäuseumfangs dargestellt sind, welche nützlich sind, um die an das Detektorarray 78 und das Verstärkerarray 80 angelegten Biasspannungen zu entkoppeln. Außerdem ist eine Anzahl von Widerständen 374 und Spulen 376 gezeigt. Die Widerstände 374 können zum Einstellen von Schwellenwerten, Anpassen von Ausgabeniveaus usw. verwendet werden. Die Spulen 376 können als Filterelemente verwendet werden, oder um Spitzen in den Pulsschaltkreisen zu erzeugen. Andere Elektronikkomponenten, wie zum Beispiel Kristalle, Dioden usw., können innerhalb des Detektorarray 78-Gehäuses nützlich sein, und können auf ähnliche Art und Weise platziert und angelötet werden. 16 shows a plan view of the packaging or housing 13 with the window cover removed. The circuit substrate 302 has an image frame-shaped metallization pattern 312 on, which is suitable to the frame 318 solder the window cover in place. The detector array 78 is to the amplifier array 80 bonded, with a number of capacitors 372 are shown within the housing periphery, which are useful to the detector array 78 and the amplifier array 80 to decouple applied bias voltages. There are also a number of resistors 374 and coils 376 shown. The resistors 374 can be used to set thresholds, adjust output levels, and so on. The spools 376 can be used as filter elements or to create peaks in the pulse circuits. Other electronic components, such as crystals, diodes, etc., may be within the detector array 78 Be useful and can be placed and soldered in a similar manner.
17 zeigt die Details eines bevorzugten Designs eines Pixelverstärkers 336 des Verstärkerarrays 80. Das Detektorelement 288 ist ein bevorzugtes Design einer PIN-Diode, und wird in der SPICE-Simulation durch die Komponenten innerhalb der gestrichelten Linie 288 gebildet. Der Fotostrom I1 variiert typischerweise zwischen 2 bis 100 μA, wobei die parasitäre Kapazität der PIN-Diode bei umgekehrtem Bias typischerweise 0,3 Pikofarad oder weniger beträgt. Ein Differenzverstärker, der aus NPN-Transistoren Q3 und Q4 besteht, stellt eine ausreichende Verstärkung bereit, um die Transimpedanz-Verstärkung von 75 kΩ durch den Widerstand R2 zu erzeugen. Die Differenzverstärkerstruktur wird vervollständigt durch eine variable Stromquelle I2, einen Beschleunigungs-Kondensator C2 und den Basisschaltkreis von Q4. Der Strom durch I2 ist normalerweise eingestellt auf 1,2 mA, kann aber großzügig variieren, um Änderungen in der gewünschten Verstärkung zu erzielen. Der Basisschaltkreis von Q4 ist lediglich ein variabler Spannungsgenerator VOFF, der in Reihe mit dem Widerstand R10 ist. Der Kollektor von Q4 ist direkt mit der +5 VDC-Versorgung verbunden. Der Kollektor von Q3 ist mit einer variablen Stromquelle I3 verbunden, und mit dem Zweite-Stufe-Verstärkereingang, welcher lediglich der Emitter von Q8 ist. Im Betrieb weist das Detektorelement 288 einen Reverse-Bias-Leckstrom (Dunkelstrom) auf, welcher von einem Detektorelement zu einem anderen etwas variieren kann. Diese Variation im Biasstrom produziert eine Offset-Spannung, welche durch Einstellen des variablen Spannungsgenerators VOFF ausgenullt werden kann. VOFF ist typischerweise auf 1,5 VDC eingestellt, kann aber leicht um ±10% verändert werden, um Variationen in den Detektorelementen 288 zu kompensieren. VOFF kann außerdem verändert werden, um die Effekte von Temperatur und Alter hinsichtlich des Verstärkerschaltkreises und der Detektorelemente 288 zu kompensieren. Jede dieser Quellen für einen Gleichspannungsfehler können mit Hilfe des Schaltkreises aus 17 kompensiert werden, indem VOFF in geeigneter Weise eingestellt wird durch die VCTRL-Ausgabe der Verstärkung und den Offset-Einstellungsschaltkreis 378. Widerstand R2 hat typischerweise 75 kΩ, kann jedoch für eine Anpassung an unterschiedliche Anwendungen geändert werden, und zwar in einem Bereich von 5 kΩ bis 125 kΩ. Eine optionale invertierende Pufferverstärkerstufe kann verwendet werden, um den Pixelverstärker 336 an die vorherigen ROIC 82-Eingänge anzupassen. Diese optionale Invertierungsstufe besteht aus einem Transistor Q8, der in Reihe mit Widerstand R7 verbunden ist, als eine Entsättigungsdiode zum Invertieren des Verstärkers Q7. R7 kann in einigen Ausführungsformen durch eine Stromquelle mit einem kleinen Strom von 5–10 μA ersetzt werden. Der Emitter von Q7 ist mit einer 1,14 VDC Biasspannung verbunden; in diesem Fall gebildet durch den Widerstandsteiler von R1 und R3. Der Kollektor von Q7 ist der Ausgang, und wird über einen Widerstand R8 mit der positiven Biasspannungsversorgung verbunden. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist +5 VDC verfügbar, und wird verwendet, um eine höhere Leistung bereitzustellen, wobei das Design jedoch mit 3,3 VDC und 2,5 VDC-Versorgungsspannungen getestet worden ist, obwohl Verstärkung, Offsets und Bias-Einstellungen für einen geeigneten Spielraum angepasst werden müssen. Im Betrieb werden die DC-Fehler genullt, indem die VCTRL-Eingabe an den Anpassungsschaltkreis 378 variiert wird, während das Detektorarray 78 unterhalb der Biasspannung liegt und durch einen mechanischen Verschluss 257 abgedunkelt wird. Das Detektorarray 78 kann außerdem teilweise abgedunkelt werden, indem der elektrische Treiber für das VCSOA-Array 256 bei Systemen entfernt wird, welche derart ausgestattet sind. Sobald die Offsets genullt sind, wird der Wert in einer Speicherzelle innerhalb des Anpassungsschaltkreises 378 durch einen Übergang an dem LATCH-Eingang gelatched. 17 shows the details of a preferred design of a pixel amplifier 336 of the amplifier array 80 , The detector element 288 is a preferred design of a PIN diode, and is used in the SPICE simulation by the components within the dashed line 288 educated. The photocurrent I1 typically varies between 2 to 100 μA, with the parasitic capacitance of the PIN diode in reverse bias typically 0.3 picofarads or less. A differential amplifier consisting of NPN transistors Q3 and Q4 provides sufficient gain to produce the 75 kΩ transimpedance gain through resistor R2. The differential amplifier structure is completed by a variable current source I2, an acceleration capacitor C2 and the base circuit of Q4. The current through I2 is normally set to 1.2mA, but can vary widely to achieve changes in the desired gain. The base circuit of Q4 is merely a variable voltage generator V OFF which is in series with the resistor R10. The collector of Q4 is directly connected to the +5 VDC supply. The collector of Q3 is connected to a variable current source I3, and to the second stage Amplifier input, which is just the emitter of Q8. In operation, the detector element 288 a reverse bias leakage current (dark current) which may vary slightly from one detector element to another. This variation in the bias current produces an offset voltage which can be nullified by adjusting the variable voltage generator V OFF . V OFF is typically set at 1.5 VDC, but can be easily changed by ± 10% to accommodate variations in the detector elements 288 to compensate. V OFF can also be changed to reflect the effects of temperature and age on the amplifier circuit and detector elements 288 to compensate. Any of these sources for a DC error can be made with the help of the circuit 17 can be compensated by appropriately setting V OFF by the VCTRL output of the gain and the offset adjustment circuit 378 , Resistor R2 is typically 75 kΩ, but can be changed to accommodate different applications, ranging from 5 kΩ to 125 kΩ. An optional inverting buffer amplifier stage may be used to connect the pixel amplifier 336 to the previous ROIC 82 To adjust inputs. This optional inverting stage consists of a transistor Q8 connected in series with resistor R7 as a desaturation diode for inverting amplifier Q7. R7 may be replaced with a 5-10 μA small current source in some embodiments. The emitter of Q7 is connected to a 1.14 VDC bias voltage; in this case formed by the resistor divider of R1 and R3. The collector of Q7 is the output, and is connected through a resistor R8 to the positive bias voltage supply. In the present embodiment, +5 VDC is available, and is used to provide higher power, but the design has been tested with 3.3 VDC and 2.5 VDC supply voltages, although gain, offsets and bias settings for one appropriate margin must be adjusted. In operation, the DC errors are zeroed by the V CTRL input to the matching circuit 378 is varied while the detector array 78 below the bias voltage and through a mechanical shutter 257 is darkened. The detector array 78 It can also be partially darkened by the electric driver for the VCSOA array 256 in systems that are so equipped. Once the offsets are zeroed, the value in a memory cell within the matching circuit 378 latched by a transition on the LATCH input.
Die Einstellpunkte der Verstärkungspunkte für jeden Pixelverstärker 336 können dann hergestellt werden, indem ein zerstreuter Laserpuls an der Empfangslinse des Ladarsensors angewendet wird, oder auf dem Subanordnungs-Niveau. Ein nützliches Verfahren zur Bestimmung der Verstärkungseinstellpunkte besteht darin, das Detektorarray 78 mit einer gleichförmig gepulsten Beleuchtung auf zwei oder drei Niveaus zu fluten: Typischerweise mit einem Maximum-Niveau, einem Niedrig-Niveau und einem Mittelbereich-Niveau. Die Verstärkung des Pixelverstärkers wird durch die Menge des durch die spannungsgesteuerte Stromquelle IC bereitgestellten Stroms eingestellt, wobei der Strom durch die spannungsgesteuerte Stromquelle I3 eingestellt wird, um die Änderungen in I2 zu verfolgen, um an dem Kollektor von Q3 optimale Last- und Bias-Zustände zu erzeugen. Auf jedem Niveau wird jeder Pixelverstärker 336 wiederum ausgewählt, indem die Reihen-Auswahl (RSEL) und Spalten-Auswahl(CSEL)-Ausgänge aktiviert werden, und wobei das ausgegebene elektrische Signalniveau mit Hilfe des ROIC 82 ausgelesen wird. Es wird dann durch den Steuerungsprozessor eine Verstärkungsanpassung berechnet, und die Verstärkung wird durch die GCTRL-Eingabe in dem Pixelverstärker angepasst. Die GCTRL-Eingabe, als auch weitere Eingaben an den Anpassungsschaltkreis 378, können direkt mit dem Steuerprozessor 58 verbunden werden, oder können durch den ROIC 82 geleitet werden. Die MODE-Eingabe ist auf die Kalibrierungsbetriebsart eingestellt, wobei der GCTRL-Wert in dem Anpassungsschaltkreis 378 durch einen Übergang an dem LATCH-Eingang gelatched wird. Weitere Einstellpunkte auf der Verstärkungskurve für den Pixelverstärker 336 werden auf dieselbe Art und Weise bei dem einen oder den zwei verbleibenden optischen Eingangsleistungsniveaus bestimmt, in Abhängigkeit von der ausgewählten Kalibrierungsbetriebsart. Die MODE-Leitung wird getoggelt, um auf diese anderen Einstellpunkte zuzugreifen. In der Schnelle-Verstärkung-Betriebsart wird die MODE-Auswahlleitung auf eine Empfindlichkeits-Zeitsteuer(STC)-Betriebsart eingestellt. Wenn die STC-Betriebsart ausgewählt ist, wird die anfängliche Verstärkung auf den geringsten Wert eingestellt, um die Möglichkeit starker Reflexionen von dem Nahfeld zu reduzieren, wobei eine Anzahl von Pixeln gesättigt wird, und in benachbarte Pixel „überlaufen”, was als „Aufblühen” bezeichnet wird und in Verbindung mit 1 erläutert ist. Zum Zeitpunkt des Ausstrahlens des beleuchtenden Laserpulses wird die GCTAL-Eingangsspannung erhöht, und die Verstärkung wird schnell von einem ersten Niedrigverstärkung-Einstellpunkt zu einem zweiten Hochverstärkung-Einstellpunkt geramped. Dieses Rampen wird über eine kurze Rampenzeit TR ausgeführt, welche durch den Bereich festgelegt wird, bei dem eine maximale Verstärkung gewünscht ist. TR beträgt für Kurzbereich-Systeme oftmals nur 200 ns, kann jedoch für Systeme mit der Möglichkeit für einen größeren Bereich 1–10 μs betragen. Typischerweise würde ein Bereich von 300 m (1000 Fuß) eine 2 μs betragende Zweiwege-Laufzeit erfordern, so dass die Verstärkung auf den Maximalwert in 2 μs oder weniger hochgefahren (das heißt geramped) würde, und zwar in Abhängigkeit von der in dem Beleuchtungslaserpuls übertragenen Leistung.The set points of the gain points for each pixel amplifier 336 can then be made by applying a scattered laser pulse to the receive lens of the ladar sensor, or at the sub-array level. A useful method for determining gain adjustment points is to use the detector array 78 with a uniformly pulsed illumination to flood at two or three levels: Typically with a maximum level, a low level and a mid-range level. The gain of the pixel amplifier is adjusted by the amount of current provided by the voltage controlled current source IC, the current being adjusted by the voltage controlled current source I3 to keep track of the changes in I2 to obtain optimal load and bias conditions at the collector of Q3 to create. At every level, every pixel amplifier becomes 336 in turn selected by activating the row select (RSEL) and column select (CSEL) outputs, and the output electrical signal level using the ROIC 82 is read out. A gain adjustment is then calculated by the control processor, and the gain is adjusted by the G CTRL input in the pixel amplifier. The G CTRL input, as well as other inputs to the matching circuit 378 , can directly with the control processor 58 be connected, or can through the ROIC 82 be directed. The MODE input is set to the calibration mode with the G CTRL value in the matching circuit 378 is latched by a transition on the LATCH input. Further adjustment points on the gain curve for the pixel amplifier 336 are determined in the same manner at the one or two remaining input optical power levels, depending on the selected calibration mode. The MODE line is toggled to access these other setpoints. In the fast gain mode, the MODE select line is set to a sensitivity timing (STC) mode. When the STC mode is selected, the initial gain is set to the lowest value to reduce the possibility of strong reflections from the near field, saturating a number of pixels, and "overflowing" into adjacent pixels, causing "blooming". is called and in conjunction with 1 is explained. At the time of the illuminating laser pulse, the G CTAL input voltage is increased and the gain is ramped rapidly from a first low gain set point to a second high gain set point. This ramping is performed over a short ramp time T R determined by the range where maximum gain is desired. T R is often only 200 ns for short-range systems, but can be 1-10 μs for systems with a larger range. Typically, an area of 300m (1000 feet) would require a 2μs run-time so that the gain would ramp up to the maximum value in 2μs or less, depending on the one transmitted in the illumination laser pulse Power.
In den hierin beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen wurde eine Anzahl von digitalen Prozessoren identifiziert, von denen einige dem Host-Fahrzeug zugeordnet sind, einige dem Ladar-Subsystem und wiederum einige individuellen Ladarsensoren. Die Aufteilung und Bezeichnung dieser unterschiedlichen Digitalprozessoren wurde mit dem Wissen eines Ingenieurs vorgenommen, wobei andere Aufteilungs- und Bezeichnungsregeln werden können, ohne den Umfang oder beabsichtigen Erfindungsgedanken zu ändern, oder die Anwendbarkeit der Erfindung zu beeinträchtigen. Die Funktion dieser dem Fahrzeug zugeordneten Prozessoren, das heißt die Fahrzeug-CPU 48 sowie die Kollisionsprozessor- und Airbagsteuereinheit 44, können in einigen zukünftigen Ausführungsformen in einem einzelnen Digitalprozessor kombiniert werden. Eine kombinierte Fahrzeug-CPU 48 und Kollisionsprozessor- und Airbagsteuereinheit 44 kann außerdem eine Ladarsystemsteuerung 30 umfassen, welche normalerweise dem Ladar-Subsystem zugeordnet ist. Die Ladarsystemsteuerung 30 (einschließlich des Steuerprozessors 58) kann in einigen alternativen Ausführungsformen als ein Stand-Alone-Schaltkreis eliminiert werden, wobei diejenigen Funktionen, welche normalerweise von der Ladarsystemsteuerung 30 ausgeführt werden, wie hierin beschrieben, dann mit Hilfe einer leistungsfähigeren Fahrzeug-CPU 48 ausgeführt würden. Ebenso könnte der Objekt-Tracking-Prozessor 98 des individuellen Ladarsensors in die Fahrzeug-CPU 48 integriert werden, wie auch andere Ladarsensorprozessoren, wie zum Beispiel der Datenreduktionsprozessor 86 und der Steuerprozessor 58. Dies würde einem Trend hinsichtlich größerer Zentralisierung der Rechenleistung im Fahrzeug folgen. Ein Trend hin zu einer Dezentralisierung kann andererseits auch stattfinden, wobei einige alternative Ausführungsformen in zunehmendem Maße die Bearbeitungsleistung in das Ladarsensor-Subsystem runter verlagern (4). In weiteren alternativen Ausführungsformen, möglicherweise in einem Roboterfahrzeug, wo lediglich ein einzelner Ladarsensor installiert sein könnte, könnte im Wesentlichen die gesamte Bearbeitungsleistung in den individuellen Ladarsensor selber eingegliedert sein. Der Begriff „Digitalprozessor” kann generisch verwendet werden, um entweder digitale Steuerungen oder digitale Computer zu beschreiben, da viele Steuerungen auch reine mathematische Berechnungen oder eine Datenreduktion ausführen können, und da viele digitale Computer auch Steuerfunktionen ausführen können. Ob ein digitaler Prozessor als eine Steuerung oder ein Computer bezeichnet wird, ist eine in der Beschreibung vorgenommene Unterscheidung, und soll nicht die Anwendung oder Funktion von irgendeiner Vorrichtung beschränken.In the preferred embodiments described herein, a number of digital processors have been identified, some of which are associated with the host vehicle, some with the ladar subsystem, and again with some individual load sensors. The division and designation of these various digital processors has been made with the knowledge of one engineer, and other partitioning and naming rules may be used without altering the scope or intended inventive idea, or affecting the applicability of the invention. The function of this processor associated with the vehicle, that is, the vehicle CPU 48 and the collision processor and airbag control unit 44 , in some future embodiments may be combined in a single digital processor. A combined vehicle CPU 48 and collision processor and airbag control unit 44 can also have a ladder system controller 30 which is normally associated with the ladar subsystem. The Ladar system control 30 (including the control processor 58 ) can be eliminated as a stand-alone circuit in some alternative embodiments, with those functions normally performed by the loader system controller 30 as described herein, then with the aid of a more powerful vehicle CPU 48 would be executed. Likewise, the object tracking processor could 98 of the individual load sensor into the vehicle CPU 48 as well as other ladar sensor processors, such as the data reduction processor 86 and the control processor 58 , This would follow a trend towards greater centralization of computational power in the vehicle. On the other hand, a trend towards decentralization may also take place, with some alternative embodiments increasingly shifting the processing power down to the ladar sensor subsystem ( 4 ). In other alternative embodiments, possibly in a robotic vehicle where only a single ladar sensor could be installed, substantially all of the processing power could be incorporated into the individual ladar sensor itself. The term "digital processor" can be generically used to describe either digital controllers or digital computers, as many controllers can perform pure mathematical calculations or data reduction, and many digital computers can also perform control functions. Whether a digital processor is referred to as a controller or a computer is a distinction made in the description, and is not intended to limit the application or function of any device.
Nachdem nunmehr verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung detailliert in dem Sinne der Patentvorschriften beschrieben worden sind, wird der Fachmann Modifikationen und Ergänzungen an den hierin offenbarten spezifischen Ausführungsformen erkennen. Solche Modifikationen liegen innerhalb des Umfangs und Grundgedankens der vorliegenden Offenbarung, wie sie in den folgenden Ansprüchen definiert ist.Having now described various embodiments of the disclosure in detail in accordance with the patent specifications, those skilled in the art will recognize modifications and additions to the specific embodiments disclosed herein. Such modifications are within the scope and spirit of the present disclosure as defined in the following claims.
